SEO DO LEITOR SEO DO LEITORAssinatura Meu nome Laurins Siqueira Costa, tenho 20 anos e sou formada em Tcnico em Processamento de Dados. Atualmente estou cursando o Curso Tcnico em Mecatrnica, o que me levou a comprar a revista MECATRNICA ATUAL. Trabalho em uma indstria de autopeas, na rea de Manuteno Industrial, e os artigos encontrados nessa revista foram de grande valia, no s para o curso que estou fazendo, como tambm no esclarecimento de algumas dvidas existentes. No entanto, gostaria de saber se existe a possibilidade de assinar esta revista e, se assim for, quais os procedimentos que devo seguir para tal. Desde j agradeo pela ateno. Laurins Siqueira Costa Departamento de Manuteno Prezados Editores: Sou Engenheiro Industrial Mecnico, trabalho com Instrutor do SENAI CET de Caador, SC, e tambm fao parte da Comisso de Estudos para a implantao do Curso de Engenharia Mecatrnica da UnC (Universidade do Contestado) desta cidade, curso esse que ter seu primeiro vestibular em fevereiro de 2002, no qual farei parte do quadro de professores. Fiquei sabendo da Revista editada por vossa Editora atravs de um aluno que adquiriu um exemplar. Minha pergunta : Como fazer uma assinatura dessa revista? Se atendido, agradeo! Everaldo Cesar de Castro Prezados Laurins e Everaldo, Infelizmente, no possvel ainda fazer a assinatura das revistas Mecatrnica Atual e Mecatrnica Fcil, pois necessrio que transcorram algumas edies para que a revista se fixe no mercado. Porm, to logo isso seja feito, ser divulgado no nosso site (http:// www.mecatronicaatual.com.br) e tambm na prpria publicao.

SEO D OFormao em Mecatrnica Sou tcnico com formao em Eletrnica e Eletrotcnica e trabalho atualmente na rea de Grupos Geradores, e sou aluno do Curso de Tecnologia Industrial (com nfase em Automao Industrial) do CEFET-SP (antiga Escola Tcnica Federal de So Paulo). J comprei o nmero 1 da revista e gostei muito, penso que ser uma leitura muito til na minha formao profissional. Meu principal objetivo hoje atuar no ramo de Automao e esse tipo de literatura vem complementar os conhecimentos adquiridos na Faculdade e ajudar nossa formao acadmica e profissional. Obrigado e parabns pela iniciativa. Um grande abrao a todos! Julio Cesar M. Hammerle.

Curso o segundo ano de Tcnico em Eletrnica em uma escola de TaubatUNITAU. Aqui tambm tem Mecatrnica, mas como a primeira turma comeou em 2000 preferi optar pela garantia da Eletrnica, que est na escola h mais de 30 anos, apesar de gostar muito mais de automao. Esta revista veio para completar meus conhecimentos de eletrnica e apresentar-me conceitos de mecnica, hardware e software, que at ento devido Escola ensinar em moldes muito acadmicos, no visando preparar um profissional com conhecimentos muito mais abrangentes, eu no conhecia. Espero que continuem nesse caminho: bons contedos tericos, boas ilustraes e dicas para estimular novos projetos. Acredito muito que vocs, da Editora Saber, esto dando uma enorme contribuio para o futuro do desenvolvimento tecnolgico no Brasil. Carlos Alberto da Silva

Prezados Julio e Carlos, Um dos principais objetivos de nossas revistas auxiliar na formao dos futuros profissionais na rea de Mecatrnica. Os nossos artigos so escritos por tcnicos, engenheiros e professores experientes, alguns dos quais atuando diretamente na Indstria e que, portanto, conhecem o dia-a-dia do cho de fbrica. Isso faz com que essas informaes sejam de grande valia para todos aqueles que trabalham ou que ainda vo trabalhar com a Mecatrnica, principalmente dentro de um contexto industrial. Ficamos muito satisfeitos em saber que estamos alcanando nosso objetivo.

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MECATRNICA ATUAL N 2 - FEVEREIRO/2002

SEO DO LEITORMecatrnica Fcil excelente a revista Mecatrnica Atual, gostaria de saber como fazer para assinar a revista, e se o suplemento Mecatrnica Fcil vai acompanhar a revista todos os meses ou ter que ser adquirido em separado. Agradeo. Antnio Carlos Gonalves Vieira Mecatrnica Atual em todo o Brasil Gostaria de obter informaes de quando a revista Mecatrnica Atual ser lanada em todo territrio nacional. Eu moro em Petrolina - PE, localizada no vale do So Francisco. Em nossa regio est havendo um grande progresso em se tratando de automao de projetos de irrigao, mas os profissionais que saem das CEFETs no conhecem CLPs, inversores, ou seja, instrumentao em geral. Vejo que a Editora Saber est nos beneficiando com boas informaes na revista Saber Eletrnica, ficaria melhor ainda se a revista Mecatrnica Atual aparecesse por aqui. Atenciosamente, Gilson Alencar Costa Prezado Gilson, As revistas Mecatrnica Atual e Mecatrnica Fcil so distribudas em todo o Brasil. Caso voc no as encontre, pedimos que entre em contato conosco atravs do e-mail: a.leitor. mecatronicaatual@editorasaber.com.br informando os endereos das bancas que voc no encontrou para que possamos verificar juntamente com a Distribuidora o que ocorreu.

Caro Antnio, Quando a Mecatrnica Fcil foi concebida, a idia era que fosse um suplemento da revista Mecatrnica Atual. Porm, esta mostrou-se logo ser muito mais do que um suplemento, passando a ser uma revista. A diferena essencial entre as duas revistas que a Mecatrnica Fcil destinase queles que desejam adquirir os seus primeiros conhecimentos de Mecatrnica atravs de matrias de abordagem bsica e projetos prticos. Entretanto, essas matrias servem tambm para aqueles que desejam rever alguns conceitos bsicos que, por algum motivo, no tenham ficado devidamente sedimentados. O mesmo se aplica aos projetos prticos. Muitos leitores, que j trabalham com a Mecatrnica, esto explorando o carter ldico da matria atravs da realizao dos projetos prticos publicados, sejam construdos por ele mesmo, ou por seu filhos ou alunos. Por outro lado, a revista Mecatrnica Atual destina-se queles que j trabalham com a Mecatrnica. A partir desta edio passaremos a trazer mais artigos pertinentes ao contexto industrial, que onde a Mecatrnica se faz mais presente, procurando apresentar dicas e solues para aqueles que esto, direta ou indiretamente envolvidos com a Automao Industrial. Assim como a outra revista, isso no significa que aqueles que esto comeando, no devam aproveitar esta oportunidade de ver aplicaes prticas da Mecatrnica no dia-a-dia da Indstria. Portanto, as duas revistas tm condies de contribuir para todos os interessados, uma vez que o objetivo das duas trazer informaes sob abordagens diferentes.

Erramos Agradecemos a todos os leitores que nos chamaram a ateno para alguns erros cometidos na edio anterior. Pedimos aos leitores que anotem as correes. 1. Caixas de reduo pgina 16 Onde se l: ... conduzem os transistores Q1 e Q3... na verdade : ... conduzem os transistores Q1 e Q4... e onde se l: ... conduzem os transistores Q2 e Q4... na verdade : ... conduzem os transistores Q2 e Q3.... 2. Os segredos da porta paralela pgina 36 Onde se l: ...podemos sugerir o circuito com o 74H451... na verdade : ...podemos sugerir o circuito com o 74LS451... e onde se l: ...faz uso de um Latch Octal tipo D do tipo 74HC573... na verdade : ...faz uso de um Latch Octal tipo D do tipo 74LS573... pgina 37 Na figura 17, faltaram os circuitos (e), (f) e (g), que mostramos ao lado:MECATRNICA ATUAL N 2 - FEVEREIRO/2002 5

SEO DO LEITOREsclarecimentos Os segredos da porta paralela 1. O uso de resistores pequenos aumenta a capacidade de corrente, mas a tenso sobre ele menor. Se bem que esta soluo seja adotada na excitao de LEDs e acopladores, no podemos dizer que a melhor. 2. Os CIs 74LS540 e 74LS541 so ambos buffers. A diferena que o LS540 inversor e o LS541 no inversor. O uso o mesmo. Nmeros Atrasados Ol, meu nome Henrique do Amaral Marti, sou Tcnico em Eletrnica e trabalho em uma empresa de telefonia. Comprei a primeira edio da revista MECATRNICA ATUAL e gostei muito, principalmente das reportagens sobre a porta paralela e a programao usando PASCAL, foi de muito proveito para mim, at j montei um projeto usando os conhecimentos que adquiri com a revista. Fiquei esperando a segunda edio para que pudesse conhecer mais coisas a respeito da mecatrnica e do uso de computadores para o controle de placas eletrnicas desenvolvidas por mim, mas acontece que na cidade em que moro (So Roque, a 50 km da Grande So Paulo) as pessoas no so muito interessadas em publicaes tcnicas, principalmente das reas de Eletrnica e Mecatrnica e at agora o jornaleiro no comprou a segunda edio. Eu j conversei com ele, mas ele no pareceu muito interessado em resolver o meu problema. Ser que no haveria uma forma para que eu pudesse comprar as revistas diretamente de vocs? Se houver, por favor me informem. Obrigado. Henrique do Amaral Marti Caro Henrique, Estamos muito contentes por receber um retorno to positivo por parte de vocs, leitores. Agradecemos muito pelo incentivo e continuaremos nos empenhando em produzir materiais interessantes e, acima de tudo, teis. Como ainda no estamos disponibilizando a assinatura da revista, a nica forma delas serem adquiridas na Editora depois que elas so recolhidas das bancas. possvel adquirir os nmeros atrasados atravs do site: http:// www.mecatronicaatual.com.br ou pelo telefone: 11 69124700.

Pesquisa Agradecemos a todos os que nos ajudaram respondendo a pesquisa contida na ltima edio. As informaes recebidas foram muito valiosas para melhorarmos a qualidade dos artigos contidos nas revistas, procurando adequlos s necessidades dos leitores. Pedimos que continuem nos ajudando, respondendo pesquisa contida nesta edio para que possamos melhorar ainda mais as prximas edies. No primeiro nmero, oferecemos a resposta aos 10 primeiros a enviar (considerando o carimbo do correio), uma caixa de reduo para ser utilizada em projetos de Mecatrnica. Os contemplados foram: Anderson Abner de S. Souza Parnamirim RN Andr Hetterich Metzler Florianpolis SC Carlos A. Q. Pereira So Paulo SP J. Arthur N. F Salvador BA Jos Antnio Moraes Tijucas SC Luciano Batista dos Santos So Joo de Meriti Marcos Alberto Bueno Louveira SP Paulo Vitor Pedroso Cachoeira do Sul RS Rafael Gomes Nogueira Belo Horizonte MG Reginaldo Fernando dos Reis Poos de Caldas MG6

Sugestes dos Leitores Prezados Editores: Sou leitor assduo da publicao Saber Eletrnica (Tecnologia - Informtica - Automao), e gostei muito dessa nova revista Mecatrnica Atual e Mecatrnica Fcil, pois hoje em dia, para ns que trabalhamos na rea, de grande valia aperfeioar nossos conhecimentos. Espero ver artigos de Instrumentao Industrial (Presso, Temperatura, Vazo, pH, Viscosidade, Densidade e PID). Rogrio Carvalho de Castro (Tc. em Instrumentao). Prezado Rogrio, Inicialmente, gostaramos de agradecer a todos os leitores que nos enviam sugestes para a melhoria das nossas publicaes. muito importante recebermos este retorno e todas as sugestes crticas e comentrios podem ser enviados para o e-mail: a.leitor.mecatronicaatual@editorasaber.com.br. A partir desta edio, traremos matrias mais voltadas Automao Industrial de modo que algumas das suas sugestes certamente sero contempladas nas prximas edies.MECATRNICA ATUAL N 2 - FEVEREIRO/2002

ELETRNICA

Alexandre CapelliACIONAMENTO DE MOTORES ELTRICOS Um dos equipamentos mais clssicos da Eletrnica Industrial o acionamento. Imaginem uma fbrica de papel, por exemplo. O produto deve ser bobinado pelas vrias etapas do seu processo fabril e, para isso, as bobinas devem manter o papel esticado. Notem pela figura 1, que a rotao e o sincronismo entre os dois motores eltricos devem ser extremamente precisos, pois caso um motor A gire mais rpido que um B, o papel ficar com folga (criando uma barriga). Por outro lado, se o motor B tender a girar mais rpido que o A, o papel poder se esticar a ponto de quebrar. O acionamento, nesse caso, utilizado para controlar a velocidade de rotao e torque do motor, de modo a manter a correta tenso mecnica do papel. Normalmente, utiliza-se um acionamento para cada motor. Assim como vimos o exemplo em uma mquina de fazer papel, os

H dois anos, aproximadamente, publicamos na Revista Saber Eletrnica uma srie (composta por trs artigos) sobre inversores de freqncia. N a p o c a , a s R ev i s t a s M e c a t r n i c a F c i l e Mecatrnica Atual estavam em uma fase embrionria, fazendo com que todos os artigos de robtica e automao caminhassem para uma nica obra, isto , a prpria Saber. Como agora temos no apenas uma, mas sim duas revistas de mecatrnica, decidimos rever os artigos voltados a essas reas, e que fizeram sucesso devido ao seu alto nvel tcnico e aplicao em campo. A idia public-los novamente, visto que agora j temos um pblico alvo bem definido para mecatrnica. Seriamos injustos, entretanto, se no fizessemos um up-grade desses artigos, acrescentando as ltimas tendncias de mercado. Sem dvida, dessa forma, os artigos agregaro valor ao nosso antigo e fiel leitor que, por ventura, j tenha lido a primeira verso.

ELETRNICA(quanto maior o fluxo, menor a rotao, e vice- versa). A figura 2 mostra o esquema geral de um acionamento CC. Notem que o acionamento formado por 4 blocos bsicos: regulador de velocidade; regulador de corrente; gerador de pulsos de disparo; e ponte retificadora. O primeiro bloco formado por uma malha de amplificadores operacionais, cuja funo enviar ao prximo mdulo uma tenso proporcional diferena entre a tenso de controle (velocidade desejada) e a tenso real (velocidade real do motor). Isso quer dizer que, para comandarmos uma velocidade para o motor, basta injetarmos uma tenso DC na entrada do primeiro mdulo. A rotao do motor ser proporcional a essa tenso de controle. Em mquinas operatrizes, por exemplo, essa tenso enviada pelo comando numrico, e seu valor est entre 0 a 10 V.Para garantir que essa rotao no se altere quando o motor estiver com carga, um pequeno gerador de tenso DC acoplado mecanicamente ao eixo do motor. A tenso de sada desse gerador fica sujeita s variaes de velocidade do motor, visto que o eixo do gerador gira na mesma velocidade do motor. Quando a rotao tende a cair, a tenso do gerador tende a diminuir e, imediatamente, a tenso de sada do mdulo 1 aumenta, comandando um acrscimo de corrente para o segundo

Figura 1 - Motores A e B, sincronizados.

acionamentos so utilizados nos mais diversos equipamentos, tais como guindastes, elevadores, mquinasferramenta, etc... H duas famlias de acionamentos: acionamentos de corrente contnua (tambm chamados conversores CC), e acionamentos de corrente alternada (tambm chamados de inversores de freqncia). O primeiro deles j se tornou obsoleto, sendo utilizado atualmente apenas em situaes bem especficas. Mesmo assim, teremos de estud-lo um pouco para que possamos compreender melhor os inversores de freqncia (assunto deste artigo). ACIONAMENTO CC O motor CC tem como principal qualidade seu alto torque, e prova disso que no metr de So Paulo, bem como nos nibus eltricos, o motor CC. Esse tipo de motor largamente utilizado em trao eltrica, situao em que necessitamos de alto torque (principalmente na partida). Como tudo na vida, tambm temos desvantagens em corrente contnua. O motor CC, devido construo do seu rotor, e comutao do coletor (faiscamento), no pode atingir uma velocidade muito alta . Outra desvantagem a necessidade de constante manuteno (troca de escovas, limpeza, balanceamento, etc...). Atualmente, os custos de manuteno e o alto preo do motor CC limita8

ram a sua utilizao em situaes que exigem um torque muito alto. A frmula que mostra o comportamento de um motor CC apresentada a seguir, onde: E = tenso de alimentao (armadura); K = constante de material; = densidade do fluxo magntico; e = velocidade de rotao (rpm). E=.. Resumindo, em um motor CC a velocidade de rotao proporcional sua tenso de alimentao, e o torque proporcional corrente que circula pela ar madura (enrolamento do rotor). Tambm o fluxo magntico influencia a rotao, s que de modo inverso

Figura 2 - Acionamento CC.

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ELETRNICAmdulo. Com uma corrente maior, o torque do motor aumenta, e sua velocidade volta ao valor desejado. Quando a carga do motor retirada, o processo o inverso, isto , a tenso do gerador aumenta, a tenso proporcional do mdulo 1 diminui, e a corrente do mdulo 2 tambm diminui, reduzindo o torque e impedindo o acrscimo de velocidade. Nada disso funcionaria sem um elo de ligao entre as duas primeiras malhas de controle e a ponte retificadora. Essa justamente a funo do terceiro bloco. Esse bloco um gerador de pulsos de disparo. Atravs da tenso proporcional do mdulo 2 (que tambm resultado da proporo do mdulo 1), esse mdulo desloca os pulsos de disparo da ponte retificadora, aumentando ou diminuindo a potncia do motor. O funcionamento detalhado desse bloco no ser explorado neste ar tigo, porm interessante para o leitor aprender sobre o circuito integrado mais utilizado para essa funo, e que se trata do TCA 785. Na Saber Eletrnica nmero 322, o artigo Controle de fase com o integrado TCA 785 demonstra com muitos detalhes como esse dispositivo opera. No quarto e ltimo bloco trata-se apenas de uma ponte retificadora trifsica (formada geralmente por SCRs), que ligada ao motor atravs de um sensor de corrente (S). Esse sensor propicia uma tenso de referncia ao mdulo 2 (regulador de corrente) proporcional corrente consumida pelo motor. Conforme foi dito anteriormente, esse tipo de acionamento ficou obsoleto e est sendo substitudo pelos inversores de freqncia . INVERSORES DE FREQNCIA A funo do inversor de freqncia a mesma do conversor CC, isto , regular a velocidade de um motor eltrico mantendo seu torque (conjugado). A diferena agora o tipo de motor utilizado. Os inversores de freqncia foram

Figura 3 - Esquema de um inversor de freqncia trifsico.

Figura 4 - Esquema de um inversor (monofsico) de freqncia.

desenvolvidos para trabalhar com motores AC. O motor AC tem uma srie de vantagens sobre o DC: - baixa manuteno - ausncia de escovas comutadoras - ausncia de faiscamento - baixo rudo eltrico - custo inferior - velocidade de rotao superior. Essas vantagens levaram a indstria a desenvolver um sistema capaz de controlar a potncia (velocidade + torque) de um motor AC. Conforme vemos na frmula a seguir, a velocidade de rotao de um motor AC depende da freqncia da rede de alimentao. Quan-

to maior for a freqncia, maior a rotao e vice-versa. N= 120.f / P onde: N= rotao em rpm f= freqncia da rede, em Hz p= nmero de plos. Assumindo que o nmero de plos de um motor AC seja fixo (determinado na sua construo), ao variarmos a freqncia de alimentao, variamos na mesma proporo, sua velocidade de rotao. O inversor de freqncia, portanto, pode ser considerado como uma fonte de tenso alternada de freqncia varivel. Claro que isso uma aproximao grosseira, porm d uma idia pela qual chamamos um acionamento CA, de inversor de freqncia.9

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ELETRNICAso modelo monofsico. A primeira etapa o mdulo de retificao e filtragem, que gera uma tenso DC fixa (barramento DC) e que alimenta 4 transistores IGBTs. Imaginem agora que o circuito da lgica de controle ligue os transistores 2 a 2 na seguinte ordem : primeiro tempo- transistores T1 e T4 ligados, e T3 e T2 desligados. Nesse caso, a corrente circula no sentido de A para B (fig. 5) ; segundo tempo- transistores T1 e T4 desligados, e T3 e T2 ligados. Nesse caso, a corrente circula no sentido de B para A (fig. 6). Ao inverter-se o sentido de corrente, a tenso na carga (motor) passa a ser alter nada, mesmo estando conectada a uma fonte DC. Caso aumentemos a freqncia de desses transistores, tambm aumentaremos a velocidade de rotao do motor, e vice-versa. Como os transistores operam como chaves (corte ou saturao), a forma-de-onda de tenso de sada do inversor de freqncia sempre quadrada. Raramente encontramos aplicaes monofsicas nas indstrias. A maioria dos inversores so trifsicos, portanto, faamos outra analogia de funcionamento tomando como base ainda o inversor trifsico da figura 3. A lgica de controle agora precisa distribuir os pulsos de disparos pelos 6 IGBTs, de modo a formar uma tenso de sada (embora quadrada), alternada e defasada de 120 uma da outra. Como temos 6 transistores, e devemos lig-los 3 a 3, temos 8 combinaes possveis, porm apenas 6 sero vlidas, conforme veremos a seguir. Na figura 7 representamos os IGBTs como chaves, pois em um inversor assim que eles funcionam. Caso o leitor tenha interesse em estudar mais detalhadamente o funcionamento do IGBT, a revista Saber n 326 publicou um artigo completo sobre o assunto. A lgica de controle proporcionar as seguintes combinaes de pulsos para ativar (ligar) os IGBTs: 1 tempo T1, T2, T3 2 tempo T2, T3, T4 3 tempo T3, T4, T5 4 tempo T4, T5, T6 5 tempo T5, T6, T1 6 tempo T6, T1, T2 As possibilidades T1,T3,T5 e T4, T6, T2 no so vlidas, pois ligam todas as fases do motor no mesmo potencial. No havendo diferena de potencial, no h energia para movimentar o motor, portanto essa uma condio proibida para o inversor. Vamos analisar uma das condies, e as restantes sero anlogas. No 1 tempo temos T1,T2,e T3 ligados, e os restantes desligados. O barramento DC possui uma referncia central (terra), portanto temos +V/ 2, e V/2 como tenso DC. Para que o motor AC possa funcionar bem, as tenses de linha Vrs, Vst, e Vtr devem estar defasadas de 120. O fato da forma-de-onda ser quadrada e no senoidal (como a rede) no compromete o bom funcionamento do motor. Para esse primeiro tempo de chaveamento, teremos: Vrs = +V/2 V/2 = 0 Vst = + V/2 (- V/2)= + V Vtr = -V/2 V/2 = - V Notem que, quando falamos em Vrs, por exemplo, significa a diferena de potencial entre R (no caso como T1, est ligado igual a + V/2)e S ( + V/2 tambm). Analogamente: Vst = + V/2 ( -V/2) = + V , e por a vai ! Caso faamos as seis condies (tempos) que a lgica de controle estabelece aos IGBTs, teremos a seguinte distribuio de tenses nas 3 fases do motor.

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

Figura 6 - Correntede B para A.

Os circuitos internos de um inversor so bem diferentes de um acionamento CC (conversor CC). A figura 3 ilustra um diagrama simplificado dos principais blocos. A primeira etapa do circuito formada por uma ponte retificadora (onda completa) trifsica, e dois capacitores de filtro. Esse circuito forma uma fonte DC simtrica, pois h um ponto de terra como referncia. Temos ento uma tenso contnua + V/2 (positiva) e uma V/2 (negativa) em relao ao terra, formando o que chamamos de barramento DC. O barramento DC alimenta a segunda etapa, constituda de seis transistores IGBTs e que, atravs de uma lgica de controle (terceira etapa), liga e desliga os transistores de modo a alternarem o sentido de corrente que circula pelo motor. Antes de estudarmos como possvel transformar uma tenso DC em AC, atravs do chaveamento de transistores em um circuito trifsico, vamos fazer uma prvia, em um circuito monofsico. Observem a fig. 4 , e notem que a estrutura de um inversor trifsico praticamente igual ao nos10

Figura 7 - IGBT's como chaves.

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ELETRNICAnor, e encontraremos o melhor rendimento para essa outra situao. Mas, como o inversor poder mudar a tenso V, se ela fixada no barramento DC atravs da retificao e filtragem da prpr ia rede? O inversor altera a tenso V, oriunda do barramento DC, atravs da modulao por largura de pulso (PWM). A unidade lgica, alm de distribuir os pulsos aos IGBTs do modo j estudado, tambm controla o tempo em que cada IGBT permanece ligado (ciclo de trabalho). Quando V tem que aumentar ,os pulsos so alargados (maior tempo em ON), e quando V tem que diminuir, os pulsos so estreitados. Dessa forma, a tenso eficaz entregue ao motor poder ser controlada. A freqncia de PWM tambm pode ser parametrizada, e geralmente encontra-se entre 2,5 kHz e 16 kHz. Na medida do possvel, devemos deix-la prxima do limite inferior, pois assim diminumos as interferncias eletromagnticas geradas pelo sistema (EMI). Observe na figura 10 um conjunto de cinco inversores de freqncia para centro de usinagem. O INVERSOR POR DENTRO A figura 11 mostra um diagrama de blocos de um inversor de freqncia tpico. Cabe lembrar que cada fabricante utiliza sua prpria tecnologia, mas esse modelo abrange uma grande parte dos inversores encontrados no mercado atual. Podemos, portanto, dividi-lo em 4 blocos principais:

Traduzindo essa tabela em um diagrama de tempos, teremos as trs formas-de-onda de tenso, conforme mostra a figura 8. Notem que as trs fases esto defasadas de 120 eltricos, exatamente como a rede eltrica trifsica. CURVA V/F Como vimos anteriormente, se variarmos a freqncia da tenso de sada no inversor , alteramos na mesma proporo a velocidade de rotao do motor. Normalmente, a faixa de variao de freqncia dos inversores fica entre 5 e 300 Hz (aproximadamente). A funo do inversor de freqncia, entretanto, no apenas controlar a velocidade de um mot o r AC. E l e p r e c i s a m a n t e r o torque (conjugado) constante para no provocar alteraes na rotao, quando o motor estiver com carga. Um exemplo clssico desse problema a mquina operatriz. Imaginem um inversor controlando a ve-

locidade de rotao de uma placa (parte da mquina onde a pea a ser usinada fixada) de um torno. Quando introduzimos a ferramenta de corte, uma carga mecnica imposta ao motor, que deve manter a rotao constante. Caso a rotao se altere, a pea pode apresentar um mau acabamento de usinagem. Para que esse torque realmente fique constante, por sua vez, o inversor deve manter a razo V/F constante. Isto , caso haja mudana de freqncia, ele deve mudar ( na mesma proporo) a tenso, para que a razo se mantenha, por exemplo: f = 50 Hz V = 300 V V/f = 6 Situao 1: o inversor foi programado para enviar 50 Hz ao motor, e sua curva V/f est parametrizada em 6. Automaticamente, ele alimenta o motor com 300 V. f = 60Hz V = 360 V V/f = 6 Situao 2 : o inversor recebeu uma nova instruo para mudar de 50 Hz para 60 Hz. Agora a tenso passa a ser 360 V, e a razo V/f mantm-se em 6. Acompanhe a curva mostra na figura 9. O valor de V/f pode ser programado (parametrizado) em um inversor, e depender da aplicao. Quando o inversor necessita de um grande torque, porm no atinge velocidade muito alta, atribumos a ele o maior V/f que o equipamento puder fornecer, e desse modo ele ter um melhor rendimento em baixas velocidades, e alto torque. J no caso em que o inversor deva operar com altas rotaes e com torques no to altos, parametrizamos um V/f me-

Figura 8 - Forma-de-ondas da tenso.

Figura 9 - Curva Tenso x Freqncia.

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ELETRNICA2 bloco IHM O 2 bloco o IHM (Interface Homem Mquina). atravs desse dispositivo que podemos visualizar o que est ocorrendo no inversor (display), e parametriz-lo de acordo com a aplicao (teclas). A figura 12 mostra um IHM tpico, com suas respectivas funes. Esse mdulo tambm pode ser remoto. 3 bloco Interfaces A maioria dos inversores pode ser comandada atravs de dois tipos de sinais: analgicos ou digitais. Normalmente, quando queremos controlar a velocidade de rotao de um motor AC no inversor, utilizamos uma tenso analgica de comando. Essa tenso se situa entre 0 a 10 Vcc. A velocidade de rotao (rpm) ser proporcional ao seu valor, por exemplo : 1 Vcc = 1000 rpm, 2 Vcc = 2000 rpm, etc... Para inverter o sentido de rotao, basta inverter a polaridade do sinal analgico (ex: 0 a 10 Vcc sentido horrio , e 10V a 0 anti - horrio). Esse o sistema mais utilizado em mquinas ferramenta automticas, sendo que a tenso analgica de controle proveniente do controle numrico computadorizado (CNC). Alm da interface analgica, o inversor possui entradas digitais. Atravs de um parmetro de programao, podemos selecionar qual entrada vlida (analgica ou digital). 4 bloco Etapa de potncia A etapa de potncia constituda por um circuito retificador , que alimenta (atravs de um circuito intermedirio chamado barramento DC) o circuito de sada inversor (mdulo IGBT). Maiores detalhes sobre essa etapa tambm podero ser vistos no nmero j citado (Saber n 327). INSTALAO DO INVERSOR Feita essa pequena reviso da estrutura funcional do inversor, vamos mostrar como instal-lo. A figura 13 mostra a configurao bsica de instalao de um inversor de freqncia. Existe uma grande quantidade de fabricantes, e uma infinidade de aplicaes diferentes para os inversores. Portanto, o esquema da figura refere-se verso mais comum.MECATRNICA ATUAL N 2 - FEVEREIRO/2002

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

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

visto que tambm uma memria est integrada a esse conjunto. A CPU no apenas armazena os dados e parmetros relativos ao equipamento, como tambm executa a funo mais vital para o funcionamento do inversor: gerao dos pulsos de disparo, atravs de uma lgica de controle coerente, para os IGBTs. O funcionamento dessa lgica est descrito no artigo passado.

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

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ELETRNICA- O aterramento eltrico deve estar bem conectado, tanto ao inversor como ao motor. - O valor do aterramento nunca deve ser maior que 5 (norma IEC536), e isso pode ser facilmente comprovado com um terrmetro, antes da instalao. - Caso o inversor possua uma interface de comunicao( RS 232, ou RS 485) para o PC, o tamanho do cabo deve ser o menor possvel. - Devemos evitar ao mximo, misturar (em um mesmo eletroduto ou canaleta) cabos de potncia (rede eltrica, ou sada para o motor) com cabos de comando (sinais analgicos, digitais, RS 232, etc...). - O inversor deve estar alojado prximo a orifcios de ventilao, ou, caso a potncia seja muito alta, deve estar submetido a uma ventilao (ou exausto). Alguns inversores j possuem um pequeno exaustor interno. - A rede eltrica deve ser confivel, isto , jamais ultrapassar variaes de +ou- 10% em sua amplitude. - Sempre que possvel, utilizar os cabos de comando devidamente blindados. - Os equipamentos de controle (PLC, CNC, PC, etc...), que funcionarem em conjunto com o inversor, devem possuir o terra em comum. Normalmente, esse terminal vem indicado pela referncia PE ( proteo eltrica), e sua cor amarela e verde ( ou apenas verde ). - Utilizar sempre parafusos e arruelas adequadas para garantir uma boa fixao ao painel. Isso evitar vibraes mecnicas. Alm disso, muitos inversores utilizam o prprio painel em que so fixados como dissipador de calor. Uma fixao pobre, nesse caso, causar um aquecimento excessivo ( e possivelmente sua queima ). - Caso haja contatores e bobinas agregadas ao funcionamento do inversor, utilizar sempre supressores de rudos eltricos (circuitos RC para bobinas AC, e diodos para bobinas DC). Essas precaues no visam apenas melhorar o funcionamento do inversor, mas evitar que ele interfira em outros equipamentos ao seu redor. O inversor de freqncia , infelizmente, um grande gerador de EMI (interferncias eletromagnticas) e, caso no o insta13

Figura 12 - IHM tpico.

Sensores e chaves extras, com certeza, sero encontrados em campo, mas a estrutura a mesma. Os terminais identificados como: R,S,eT (ou L1, L2, e L3), referem-se entrada trifsica da rede eltrica. No comum encontrarmos inversores monofsicos aplicados na indstria. Para diferenciar a entrada da rede para a sada do motor, a sada( normalmente) vem indicada por: W,V,e U. Alm da potncia, temos os bornes de comando. Cada fabricante possui sua prpria configurao, portanto, para saber quem quem temos de consultar o manual de respectivo fabricante. De qualquer maneira, os principais bornes so as entradas (analgicas ou digitais), e as sadas (geralmente digitais).

No exemplo da figura 13, temos um CNC comandando um inversor atravs da sua entrada analgica (0 a 10 Vcc). Nesse caso, as entradas digitais foram utilizadas para um boto de emergncia , e um sensor de velocidade de rotao (encoder).

OS DEZ MANDAMENTOS DA INSTALAO DO INVERSOR DE FREQNCIA - Cuidado! No h inversor no mundo que resista ligao invertida de entrada da rede eltrica trifsica, com a sada trifsica para o motor.

Figura 13 - Instalao de um inversor de freqncia.

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ELETRNICAlarmos de acordo com as orientaes acima, poderemos prejudicar toda a mquina ( ou sistema ) ao seu redor. Basta dizer que, para um equipamento atender o mercado europeu, a certificao CE (Comunidade Europia) exige que a emisso eletromagntica chegue a nveis baixssimos (norma IEC 22G WG4 (CV) 21). PARAMETRIZAO Para que o inversor funcione a contento, no basta instal-lo corretamente. preciso informar a ele em que condies de trabalho ir operar. Essa tarefa justamente a parametrizao do inversor. Quanto maior o nmero de recursos que o inversor oferece, tanto maior ser o nmero de parmetros disponveis. Existem inversores com tal nvel de sofisticao, que o nmero de parmetros ultrapassa a marca dos 900! Obviamente, neste artigo, veremos apenas os principais e no utilizaremos particularidades de nenhum fabricante, pois um mesmo parmetro, com certeza, muda de endereo de fabricante para fabricante. A partir de agora, portanto, nosso inversor imaginrio ser da marca Saber. O inversor de freqncia Saber tem as mesmas funes dos demais fabricantes ( Siemens, Yaskawa, ABB, etc... ), porm, temos a liberdade de nomearmos segundo a nossa convenincia, a ordem dos parmetros. Isso no dever dificultar o trabalho com inversores reais, pois basta associarmos com os indicados pelo manual do fabricante especfico. Parmetro 001: Tenso nominal do motor. Esse parmetro existe na maioria dos inversores comerciais, lembrando que no necessariamente como P 001, e serve para informarmos ao inversor qual a tenso nominal em que o motor ir operar. Suponha que o motor tenha tenso nominal 380 VCA. Como vamos introduzir essa informao (parmetro) no inversor? Tomando como base a figura 12 (IHM) vamos observar a seqncia de teclas. O display dever estar 0.0 (pois s podemos parametrizar o inversor com o motor parado).14

1 passo Acionamos a tecla P e as setas para acharmos o parmetro. Ex: P,e at achar o parmetro respectivo. No nosso caso, logo o 1 OOO1 2 passo Agora aciona-se P novamente, e o valor mostrado no display ser o valor do parmetro, e no mais a ordem em que ele est. Ex: O 2 2 O 3 passo Como no exemplo a tenso desse parmetro est em 220 VCA, e nosso motor funciona com 380 VCA, acionamos P ,e at chegar nos 380. O38O 4 passo Basta acionar P novamente, e o novo parmetro estar programado. Cerca de 90% dos inversores comerciais funcionam com essa lgica! Todos os demais parmetros so programados de forma anloga. Parmetro 002: Freqncia mxima de sada . Esse parmetro determina a velocidade mxima do motor. Parmetro 003: Freqncia mnima de sada. Esse parmetro determina a velocidade mnima do motor. Parmetro 004: Freqncia de JOG. A tecla JOG um recurso que faz o motor girar com velocidade bem baixa. Isso facilita o posicionamento de peas antes da mquina funcionar em seu regime normal. Por exemplo : encaixar o papel em uma bobinadeira, antes do papel ser bobinado efetivamente. Parmetro 005: Tempo de partida (rampa de subida). Esse parmetro indica em quanto tempo deseja-se que o motor chegue velocidade programada, estando ele parado. O leitor pode pensar : Quanto mais rpido melhor. Mas, caso o motor esteja conectado mecanicamente a cargas pesadas ( Ex: placas

de tornos com peas grandes, guindastes, etc...), uma partida muito rpida poder desarmar disjuntores de proteo do sistema. Isso ocorre, pois o pico de corrente, necessrio para vencer a inrcia do motor, ser muito alto. Portanto, esse parmetro deve respeitar a massa da carga, e o limite de corrente do inversor (fig 14). Parmetro 006: Tempo de parada (rampa de descida). O inversor pode produzir uma parada gradativa do motor. Essa facilidade pode ser parametrizada e, como a anterior, deve levar em considerao a massa (inrcia) da carga acoplada (fig 15). Parmetro 007 Tipo de frenagem Parmetro = 1 Parada por rampa Parmetro = 0 Parada por CC No inversor Saber, o parmetro 007 pode assumir dois estados: 1 ou 0. Caso esteja em 1, a parada do motor obedecer a rampa programada no P 006. Caso esteja em 0, o motor ter sua parada atravs da injeo de corrente contnua em seus enrolamentos. Em um motor AC, quando submetemos seus enrolamentos a uma tenso CC, o rotor pra imediatamente (estanca), como se uma trava mecnica atusse em seu eixo. Portanto, o projetista de mquinas deve pensar muito bem se assim mesmo que ele deseja que a parada ocorra. Normalmente esse recurso utilizado para cargas mecnicas pequenas (leves), e que necessitam de resposta rpida (Ex: eixos das mquinas - ferramenta). Parmetro 008: Liberao de alterao de parmetros: Parmetro = 1 os parmetros podem ser lidos e alterados. Parmetro = 0 os parmetros podem ser apenas lidos. Esse parmetro uma proteo contra curiosos. Para impedir que algum, inadvertidamente, altere algum parmetro da mquina, utiliza-se um parmetro especfico como proteo.

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ELETRNICAParmetro 009: Tipo de entrada Parmetro = 1 a entrada significativa analgica (0 10 Vcc). Parmetro = 0 a entrada significativa digital.Esse parmetro diz ao inversor como vamos controlar a velocidade do motor. Caso esteja em 1 , a velocidade ser proporcional tenso analgica de entrada. A entrada digital ser ignorada. Caso o parmetro esteja em 0, a velocidade ser controlada por um sinal digital (na entrada digital), e o sinal analgico no mais influenciar. Parmetro 010: Freqncia de PWM Parmetro = 1 Freq. PWM = 2 kHz Parmetro = 2 Freq. PWM = 4 kHz Parmetro = 3 Freq. PWM = 8 kHz Parmetro = 4 Freq. PWM = 16 kHz Esse parmetro determina a freqncia de PWM do inversor. Notem que para P 010 = 1 temos 2 kHz, e os demais dobram de valor at 16 kHz (freqncia mxima). Para evitarmos perdas no motor, e interferncias eletromagnticas (EMI), quanto menor essa freqncia, melhor. O nico inconveniente de parametrizarmos o PWM com freqncias baixas (2 ou 4 kHz) a gerao de rudos sonoros, isto , a mquina fica mais barulhenta. Portanto, devemos fazer uma anlise crtica das condies gerais do ambiente de trabalho, antes de optarmos pelo melhor PWM. Como dissemos anteriormente, existe uma infinidade de parmetros nos inversores. Neste artigo, mostramos apenas os 10 principais, que j sero suficientes para o leitor colocar para rodar qualquer mquina. Lembrem-se que o inversor de freqncia da marca Saber fictcio. A ordem dos parmetros foi inventada para viabilizar a didtica, porm, bem parecida com a maioria dos inversores comerciais. Para parametrizar um inversor real, basta consultar o manual do fabricante, e fazer uma analogia com esse ar tigo. Temos cer teza que as pequenas diferenas no sero obstculos para o leitor. DIMENSIONAMENTO Como posso saber : qual o modelo, tipo, e potncia do meu inversor para a minha aplicao? Bem, vamos responder a essa pergunta em trs etapas: Potncia do inversor: Para calcularmos a potncia do inversor, temos de saber qual motor (e qual carga) ele acionar. Normalmente, a potncia dos motores dada em CV ou HP. Basta fazermos a converso para watts, e o resto fcil. Vamos dar um exemplo prtico: Rede eltrica = 380 VCA Motor = 1 HP Aplicao = exaustor industrial Clculos: 1 HP = 746 W ( e 1 CV = 736 W ). Por tanto, como a rede eltrica de 380 VCA, e os inversores (normalmente) possuem um fator de potncia = 0,8 (Cos = 0,80), teremos: CI = Corrente do inversor CI = Pot em watt . Tenso rede x Cos = 2,45 ampresFigura 15 - Rampa de descida do inversor.

Figura 14 - Rampa de partida do inversor.

CI = 746 W 380. 0,8

Tenso de entrada = 380 VCA Corrente nominal = 2,5 A (arredondando 2,45 para cima). Tipo de inversor: A maioria dos inversores utilizados so do tipo escalar. S utilizamos o tipo vetorial em duas ocasies: extrema preciso de rotao e torque elevado para rotao baixa ou zero ( ex: guindaste, pontes rolantes , elevadores , etc...). Como no nosso caso trata-se de um exaustor, um escalar suficiente.

Modelo e fabricante : Para escolher o modelo, basta consultarmos os catlogos dos fabricantes, ou procurarmos um que atenda (no nosso exemplo ) as seguintes caractersticas mnimas : - Tenso de entrada : 380 VCA - Corrente nominal : 2,5 A - Tipo : escalar. Todas as demais funes so opcionais. Quanto ao fabricante, o preo deve determinar a escolha. Apenas como referncia ao leitor, os mais encontrados na indstria so: Siemens, Weg, Yaskawa, e GE (Fanuc). CONCLUSO No prximo nmero estudaremos os inversores de freqncia vetoriais. Mais precisos, eles esto dominando a tecnologia de movimento. Alm disso, tambm analisaremos os demais dispositivos de controle e processos de automao em mquinas, ferramentas e robs industriais. l15

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PNEUMTICA

AV ATRA TRAVS O AVANO DA PNEUMTICA ATRAVS DA

DUPLA PRESSOJos Carlos AmadeoCentro Universitrio Salesiano de So Paulo

O presente artigo tem como objetivo levar os projetistas de equipamentos pneumticos a terem um raciocnio diferente, no que diz respeito elaborao de sistemas e/ou equipamentos para Automao, que utilizem o ar comprimido como fonte principal de energia.

O interesse deste tema est diretamente relacionado reduo do consumo de energia eltrica e, conseqentemente, reduo dos custos, ao aumento da produtividade e ao aumento da vida til dos equipamentos pneumticos. Reduo dos custos operacionais: A reduo de energia eltrica, esta diretamente relacionada na utiliza-

o da Dupla Presso, porque ir proporcionar, nos circuitos pneumticos, presses diferenciadas , na qual os compressores no precisam trabalhar mais para suprir uma presso maior, permanecendo , conforme o consumo dos equipamentos pneumticos instalados, um bom tempo desligado, ou mesmo operando em vazio , consumindo menos energia.

16 16 MECATRNICA ATUAL N 2 - FEVEREIRO/2002

PNEUMTICAAumento da produtividade: A produo ser aumentada porque os equipamentos pneumticos sero capazes de produzir mais peas/produtos em tempos menores, devido ao aumento da velocidade (no avano) dos cilindros pneumticos. Aumento da vida til dos equipamentos pneumticos: Est diretamente relacionado baixa presso, utilizada nos equipamentos pneumticos , diminuindo os atritos internos e consequentemente os desgastes de seus componentes . (82,3 psig), mantida constante, reduziremos em 20 % a presso utilizando a vlvula redutora de presso. Se reduzirmos a presso em aplicaes que no exigem foras de operao, teremos como resultado uma economia razovel, como veremos mais adiante. Cada vez que exigimos do compressor presses maiores do que o necessrio, teremos como resultado um gasto maior de energia eltrica, obrigando o compressor a operar em regime continuamente ligado, mantendo aquela presso superdimensionada e desnecessria, em regime de operao constante. O CUSTO DA GERAO DO AR COMPRIMIDO Poucos so os usurios que tm uma noo de quanto custa o ar comprimido. A maioria o considera como uma fonte de energia barata. Da o engano desses usurios. Vamos analisar os valores a seguir, extrados dos principais fabricantes de componentes pneumticos, e tambm dos prprios fabricantes de compressores de ar comprimido. O custo do ar comprimido de aproximadamente US$ 0,30 para cada 1000 SCFM (ps cbicos por minuto) ou 28 metros cbicos por minuto de ar comprimido consumido (valor em dlar para termos um referencial mais seguro). O exemplo a seguir ir nos demonstrar a real economia de um sistema de Automao Pneumtica operando com o princpio da Dupla Presso. Lembramos que este exemplo est baseado na utilizao de um atuador pneumtico de ao dupla, que emprega ar para avanar e ar para retornar, e quando no forem exigidas foras para a execuo das tarefas no seu retorno. EXEMPLO PRTICO II Neste exemplo, a funo principal do atuador pneumtico avanar uma ferramenta para executar uma operao de prensagem. A presso projetada para que este sistema execute sua funo de prensagem 65 psig (ou 4,5 Bar), realizando o trabalho de fora no avano. O retorno desta ferramenta ser sem carga (fora = 0), ou seja, apenas retornando a ferramenta sua posio inicial. Neste caso perguntamos: por que utilizarmos a mesma presso empregada no avano (de 65 psig) para retornar a ferramenta, se o atuador pneumtico no ir executar nenhuma fora? Procedimento: Introduzir uma Vlvula Reguladora de Presso e regular a presso de retorno para uma presso inferior, por exemplo, igual a 25 psig (1,7 Bar). Aqui comeam nossos argumentos para a reduo de custos, vejamos nosso exemplo prtico: Qual ser a diferena de custo (por ano) entre operar o sistema com um nico regulador de presso (65psig) em um circuito pneumtico e com dois reguladores de presso, sendo um com 65 psig e o outro com 25 psig?17

POR QUE UTILIZAR VLVULAS REGULADORAS DE PRESSO? Sendo o ar comprimido um gs compressvel, este dificilmente estar disponvel nos pontos de consumo a uma presso constante e/ou necessria para o comando dos componentes pneumticos. A operao indispensvel das vlvulas reguladoras de presso aplicada entre a fonte geradora de ar comprimido e os diversos pontos de consumo. Sua principal funo , alm de reduzir a presso primria (tambm conhecida como presso a montante), manter a presso secundria (presso a jusante) constante. Condies estas necessrias para o controle de equipamentos pneumticos, tais como: ferramentas pneumticas, cilindros lineares e/ou rotativos, motores pneumticos, vlvulas de controle, injetoras / prensas de impacto, sistemas de pinturas, robtica entre outras aplicaes... Se analisarmos todas as aplicaes de uso do ar comprimido, iremos notar que os reguladores de presso so componentes indispensveis e os mais notados na distribuio geral de uma rede de ar comprimido. COMO UTILIZAR OS REGULADORES DE PRESSO, OBJETIVANDO A REDUO DE CUSTOS NA REDE DE AR COMPRIMIDO E NOS PONTOS DE CONSUMO? Para uma maior eficincia na distribuio de uma rede de ar, ser necessrio que as presses nos pontos de consumo sejam inferiores a 20 % da presso geradas pelo(s) compressor(es) de ar. Isto significa que, ao projetarmos qualquer equipamento pneumtico, no devemos levar em considerao a presso disponvel na rede (a que sai dos compressores), mas sim a presso disponvel e necessria no ponto de consumo, como medida de reduo de custos e segurana operacional. EXEMPLO PRTICO Se dispusermos, na rede de ar comprimido, de uma presso de 7 Bar (ou 102,9 psig), qual ser a presso ideal de operao no seu ponto de consumo? Caso o equipamento que desejamos empregar, por exemplo uma furadeira, tenha no seu manual de fabricante a presso operacional especificada de 5,6 BarMECATRNICA ATUAL N 2 - FEVEREIRO/2002

PNEUMTICASistema operacional PARA CONVERTER POLEGADAS CBICAS EM PS CBICOS Multiplicar pelo fator 0,0005787 ou dividir pelo fator 1.728 Exemplo: 353,43 polegadas cbicas x 0,0005787 = 0,204 ps cbicos ou 353,43 pol3 / 1.728 = 0,204 ps cbicos. 7 (horas/dia) X 6 (dias/semana) X 50 ( semanas/ano) X 60 (minutos) = 126.000 minutos/ano. Clculo do volume de ar comprimido consumido pelo atuador pneumtico durante o avano Frmula = ( x (D2/4)) x S (curso) Volume (consumo de ar no avano) = ( x (52/4)) x 18 = 353,43 pol3/min ou 0,204 ps cbicos por minuto. Antes, queremos lembrar que neste projeto estaremos investindo na aquisio de mais um componente, o segundo regulador de presso, cujo valor ser pago em pouco tempo, pela economia de energia conseguida. Vamos l, mos a obra! Pegue uma calculadora para no se perder nos clculos... DADOS DO PROJETO Presso de alimentao da rede de ar comprimido = 100 psig (6,8 Bar) (D) = Dimetro interno do cilindro pneumtico = 5" (127 mm) (Dh) = (Dimetro da haste) = 2" (51 mm) (S) = Curso do cilindro pneumtico = 18 (457 mm) (Ta) =Tempo de avano = 2 segundos (Tr) = Tempo de recuo = 1 segundo (Ht) =Horas de trabalho = 7 horas/dia (d) = Dias = 6 dias/semana (s) = Semanas = 50 semanas/ano Custo do ar comprimido = US$ 0,30 / 1000 SCFM consumido. CLCULOS O ciclo que este atuador pneumtico ir executar ser: Ta + Tr = 3 segundos ou 20 ciclos/minuto

Clculo do volume de ar comprimido consumido pelo atuador pneumtico durante o recuo ( x (D2 - Dh2)/4) X S = ((52 - 22)/4) x 18 = 297 pol3/ min = 0,171pcm O prximo passo calcular o fator de compresso do ar comprimido, ou seja, o quanto o ar est comprimido em relao presso atmosfrica. Para isso, tomamos o valor da presso de sada, somamos o valor da presso atmosfrica (14,7 psig) e dividimos o resultado pela presso atmosfrica. Utilizando os valores temos, no avano: Fc = Fator de compresso do ar comprimido = (65 + 14,7) / 14,7 = 5,42 e no retorno, a presso de 25 psig: Fc = (25 + 14,7) / 14,7 = 2,7 Agora, com os valores obtidos possvel calcularmos os custos deste equipamento operando sem e com a utilizao da Dupla Presso. Inicialmente, faremos o clculo do sistema operando com a mesma presso, ou seja, 65 psig.

Tabela 1 - Prticos de uma vlvula 5/2.

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PNEUMTICAPara isso, calcularemos o consumo anual de ar comprimido e multiplicaremos este valor pelo custo do ar (US$ 0,30 para cada 1.000 pcm produzidos). Custo no avano A quantidade de ar consumida : Volume consumido por minuto x Fator de compresso x Ciclo do cilindro x Sistema operacional 0,204 (pcm) x 5,42 (Fc) x 20 (ciclos) x 126.000 (minutos por ano): = 2.786.313,6 pcm x US$ 0,30 (preo do ar comprimido) = US$ 835.894,08 dividido por 1000 pcm = US$ 835,89 Custo no retorno US$ 1.536,56 - US$ 1.184.93 = US$ 351,63 0,171 (pcm) x 5,42 (Fc) x 20 (ciclos) x 126.000 (minutos /ano) = 2.335.586,4 pcm x US$ 0,30 = US$ 700.675,92 - dividido por 1000 pcm = US$ 700,67 Total por ano : US$ 835,89 (no avano ) + US$ 700,67 (no retorno) = US$ 1.536,56 Se operarmos o mesmo sistema com a Dupla Presso, ou seja, com presses diferenciadas, teremos o seguinte: o custo de avano permanece o mesmo, porque necessito utilizar a presso de 65 psig para realizar a fora especificada no projeto: Observao: Para realizar este circuito pneumtico, ser necessrio utilizar vlvulas de comando que permitem esta aplicao. Nem todos os produtos pneumticos disponveis no mercado esto projetados para a aplicao da dupla presso. EXEMPLO DE UM CIRCUITO PNEUMTICO UTILIZANDO DUAS PRESSES DE COMANDO Para uma melhor interpretao do circuito pneumtico mostrado na figura 1, descrevemos a seguir a funo e o significado de cada prtico de uma vlvula 5/2 vias (cinco vias duas posies simples solenide de ao direta) representada na figura 2, levando em considerao a observao mencionada acima. Os nmeros (cdigo americano) ou letras (cdigo europeu) utilizados, esto de conformidade com o Sistema Internacional. Note a configurao das setas, contrrias uma Simbologia Normal. A entrada n 1 ficou como escape nico, as sadas n 3 e 5 ficaram com entradas de ar, e as sadas n 2 e 4 permaneceram como fontes alimentadoras de ar para o Atuador Pneumtico. Note tambm que na sada 1 da figura 1 utilizado apenas um silenciador de escape. l = US$ 835,89. A diferena ocorre no retorno, pois o cilindro volta com a presso de 25 psig. Fazendo os clculo do custo teremos: 0,171 x 2,7 x 20 x 126.000 = 1.163,48 pcm x US$ 0,30 = US$ 349.045,20 dividido por 1000 pcm = US$ 349,04 Total por ano = US$ 1.184,00 CONCLUSO Comparado este ltimo resultado com os US$ 1.536,56 gastos utilizando a mesma presso no avano e no recuo, a economia por ano utilizando o sistema de Dupla Presso ser de:

Figura 1 - Exemplo de um circuito pneumtico utilizando duas presses de comando.

Figura 2 - Vlvula solenide de 5/2 vias - retorno por mola.

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MANIPULADORES

Fernando A. PazosCoordenador do Laboratrio de Robtica Instituto de Tecnologia ORT do Rio de Janeiro

1 Parte

DEFINIO E CLASSIFICAO DOS ROBS Na indstria moderna e tambm em laboratrios de ensino e pesquisa, cada vez mais esto sendo utilizados diversos tipos de robs nos processos de manufatura, de ensamblamento de dispositivos, de embalagem, de seleo de materiais ou de controle da qualidade. Mas, o qu se entende exatamente por um rob? Existem muitas definies diferentes, dependendo do ponto de vista e, em geral, da rea na qual se trabalha com os robs. Uma acepo supostamente oficial do termo rob foi estabelecida pela Associao das Indstrias de Robtica (RIA): Um rob industrial um manipulador reprogramvel e multifuncional, projetado para mover materiais, peas, ferramentas ou dispositivos especiais em movimentos variveis programados para a realizao de uma variedade de tarefas. Essa definio, do ponto de vista de uma concepo ampla do termo rob, corresponde apenas a uma classe especfica, precisamente a dos robs manipuladores. Contudo, ela pode ser ampliada. Primeiramente, para entender o significado de rob deve-se comear por definir alguns conceitos bsicos, partindo do conceito de mquina. O que se entende exatamente quando se fala em mquina? Muitas definies podem ser dadas tambm. Aqui esse conceito ser focalizado do ponto de vista da utilidade, e para isso ser

definida mquina como qualquer dispositivo capaz de transformar energia em trabalho til. Que energia? Qualquer uma, sem distino da fonte, podendo ser energia eltrica, trmica, nuclear, solar, qumica, magntica e at energia proveniente da fora humana. O que se entende por trabalho til? O conceito de trabalho do ponto de vista fsico a aplicao dessa energia, por exemplo, numa fora que se desloca por uma determinada distncia. Veja a figura 1. Observe-se que obedecendo e atendendo essa definio, muitas coisas podem ser entendidas como mquinas, desde objetos simples de uso quotidiano at complexos dispositivos eletrnicos e/ou mecnicos. Por exemplo, uma alavanca, um plano inclinado, uma polia, uma engrenagem,

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MANIPULADORES

Figura 1: Transformao de energia em trabalho til.

um alicate, so mquinas simples. Um motor, um computador, uma lavadora de roupas, so mquinas mais complexas. possvel estabelecer inclusive diferentes classificaes das mquinas focalizando diversos pontos de vista, discriminando-as segundo o tipo de energia empregada para gerar esse trabalho, o que as dividiria em mquinas eltricas, trmicas, manuais, etc. A classificao que ser utilizada aqui est baseada na origem da fonte de energia, isto , se a fonte de energia for proveniente da fora humana ou externa ao do operador. Assim, sero divididas as mquinas em automticas e no automticas ou manuais. Por mquina automtica entende-se toda aquela cuja energia provm de uma fonte externa, tipo energia eltrica, trmica, etc., constituindo os casos das mquinas eltricas, de combusto, a vapor, entre outras fontes possveis. Por mquina no automtica ou manual entende-se toda aquela que precisa da energia permanente do operador para efetuar o trabalho. Dentre as mquinas automticas possvel fazer tambm diversas classificaes, segundo o tipo de energia, caractersticas construtivas, peso ou tamanho. Mas aqui ser apresentada a seguinte classificao: sero divididas as mquinas automticas em programveis e no programveis. Por mquina automtica no programvel entende-se toda aquela que, ao receber a energia da fonte, efetua sempre o mesmo trabalho, enquanto que por mquina automtica programvel entende-se aquela cujo trabalho depende em certa medida de instrues previamente dadas pelo operador, seja qual for o meio pelo qual foram introduzidas essas instrues na mquina e o formato delas. Essas instrues sero chamadas genericamente pelo nome de programa. Imagine-se uma mquina que possui uma srie de chaves ou switches e que, ao receber energia, o trabalho que efetua depende da posio desses switches. Estamos na presena de uma mquina automtica

programvel. claro que uma mquina controlada por um computador (ou algum outro tipo de processador eletrnico digital) cuja tarefa depender tambm do programa que execute o processador, ainda uma mquina automtica programvel. Mas uma mquina automtica com um controle de tempo, efetuado atravs de um temporizador que o usurio pode ajustar determinando o seu perodo de funcionamento, no uma mquina automtica programvel, uma vez que o ajuste de tempo no pode ser considerado um programa. A tarefa sempre a mesma, mudando apenas a sua durao. So exemplos dessas mquinas automticas no programveis a lavadora de roupas e a televiso. Igualmente no podem ser consideradas mquinas automticas programveis aquelas que possuem um controle de intensidade, que o usurio pode regular. Neste caso, a tarefa sempre a mesma e no depende de programa nenhum, somente muda a intensidade dela. Exemplos disso so os condicionadores de ar que possuem um termostato, as lmpadas com reguladores de intensidade de luz, etc. Neste ponto, j existem condies de definir o termo rob, pelo menos no que concerne ao interesse deste artigo. Ser definido rob justamente como uma mquina automtica programvel. Tambm podem se classificar de diversas maneiras os diferentes tipos de robs, o que ser feito do ponto de vista das suas diferentes utilidades. A primeira classe a considerar a dos robs manipuladores, j definidos anteriormente. So exemplos de robs manipuladores os braos mecnicos, ou qualquer sistema que, em geral, tenha por objetivo deslocar material de um ponto para outro do espao ou acompanhando uma trajetria dentro de um volume de trabalho. Sero distinguidos tambm os robs exploradores, ou robs que tm como objetivo explorar um determinado ambiente, o qual pode no ser necessariamente uma superfcie plana, e sim um determinado espao ou inclusive um objeto fixo, revelando atravs de sensores as caractersticas fsicas dele. Um claro exemplo dessa classe o rob enviado a Marte para monitoramento da superfcie do planeta. A terceira classe a considerar aqui ser a das mquinas-ferramenta, ou robs que tm por objetivo processar uma determinada matria prima, aumentando o valor agregado. So exemplos disso os robs de solda, nos quais devem ser programados os movimentos da ponta de solda para acompanhar os contornos das peas a soldar; as furadeiras de controle numrico, onde no programa figuram as coordenadas e dimetros dos furos a serem realizados; os tornos de controle numrico, entre muitas outras mquinas de uso comum na indstria metalrgica.

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MANIPULADORES

O tipo mais conhecido de rob manipulador o famoso brao mecnico. Ele consiste numa srie de corpos rgidos interligados por juntas que permitem um movimento relativo entre esses corpos, assemelhando-se assim sua forma geral de um brao humano, s vezes quase com as mesmas possibilidades de movimento. Todo rob manipulador possui em algum ponto da sua estrutura fsica um dispositivo chamado de efetuador, o qual tem como funo operar sobre o objeto a ser manipulado. Ele pode ser uma ferramenta, como uma ponta de solda, por exemplo, destinada a soldar uma superfcie; pode ser algum dispositivo especial, como uma cmera de vdeo; mas em geral trata-se de algum tipo de garra capaz de segurar uma pea com o intuito de desloc-la pelo seu espao de trabalho. Em particular, os braos mecnicos costumam ter uma garra como efetuador, embora a maioria dos braos industriais permitam trocar esse dispositivo efetuador com facilidade. ESTRUTURA DOS ROBS MANIPULADORESFigura 2: Classificao das mquinas.

Finalmente, sero entendidos os outros tipos de robs que no entram nas definies anteriores como de uso geral. Um exemplo disso um controlador de temperatura programvel, que tem por objetivo manter a temperatura de um ambiente ou sistema em um determinado nvel, ou percorrendo uma determinada excurso trmica, segundo um programa previamente indicado ao controlador. Observe-se que, segundo a definio especificada aqui, este controlador de temperatura considerado um rob, mesmo que no possa efetuar movimento algum. Acompanhe a ilustrao da figura 2. ROBS MANIPULADORES Um dos tipos de robs mais utilizados, tanto na indstria quanto nos laboratrios de pesquisa, so os robs manipuladores. Da definio dada podem ser extradas diversas concluses sobre as caractersticas dos robs manipuladores. Uma delas que, como qualquer rob, a tarefa a realizar deve estar previamente programada e seu acionar depender desse programa de controle. Essa caracterstica invarivel para todo rob, portanto tambm para os manipuladores. Uma outra concluso que os manipuladores tm como principal objetivo deslocar materiais, que podem ser peas diversas, ferramentas que iro trabalhar sobre uma pea, ou sistemas de viso que devero monitorar o andamento de um processo determinado, entre outras possibilidades.

Os robs industriais so projetados com o intuito de realizar um trabalho produtivo. O trabalho executado quando o rob movimenta sua estrutura a fim de deslocar o objeto a ser manipulado. A estrutura de um rob manipulador consiste basicamente numa srie de corpos rgidos, idealmente sem deformao pela ao de foras aplicadas sobre eles e que, em geral, so feitos de um material resistente como ao, que se denominam elos (diversas bibliografias utilizam sua denominao em ingls: links). Esses elos podem ter diversos tamanhos e formas dependendo da aplicao, estando unidos por juntas que lhes permitem ter um movimento relativo entre eles. Assim, em alguma localizao do elo, existir uma junta que o une com o elo seguinte, permitindo-lhe um movimento. Conforma-se assim uma cadeia cinemtica aberta de elos interligados por juntas. Em geral, os manipuladores esto montados sobre uma base fixa, qual est unido o primeiro elo atravs da primeira junta. Esta base pode estar montada sobre uma superfcie tambm fixa, ou num veculo (automatizado ou no), que lhe permita um deslocamento pelo local de trabalho. O ponto extremo do ltimo elo conhecido com o nome de punho, e onde costuma estar fixado o efetuador; no caso particular dos braos mecnicos ele se assemelha mo no extremo do antebrao. As possibilidades de movimento de um elo com respeito ao anterior esto determinadas pelo tipo de junta que os une. Este movimento pode ser de rotao, onde o elo pode girar um determinado ngulo com respeito ao anterior; nesse caso a junta chama-

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Figura 3: Juntas prismtica e de revoluo.

se de revoluo, seja qual for a orientao deste ngulo. O movimento tambm pode ser de deslocamento linear, onde um elo se afasta ou aproxima do anterior uma determinada distncia, caso em que a junta chamada de prismtica, seja qual for tambm a direo deste movimento linear relativo. Um mesmo manipulador no precisa ter todas as juntas do mesmo tipo, podendo ser algumas de revoluo e outras prismticas, segundo a convenincia da configurao projetada. Nos braos mecnicos as juntas costumam ser de revoluo, justamente por visarem uma proximidade com o brao humano. Na figura 3 so mostrados vrios tipos de juntas. As juntas, ento, determinam os movimentos possveis do manipulador, e juntamente com as caractersticas fsicas dos elos como suas formas e tamanhos, determinam a anatomia do manipulador. A anatomia do rob deve considerar suas aplicaes especficas. Por exemplo, um manipulador destinado a colocar componentes eletrnicos numa placa de circuito impresso deve ser substancialmente diferente de um outro destinado a deslocar carros de um ponto da linha de produo a outro. COORDENADAS GENERALIZADAS As variveis caractersticas das juntas so aquelas grandezas fsicas que permitem representar este

movimento relativo de um elo com respeito ao anterior. No caso das juntas de revoluo, sero os ngulos de rotao entre um elo e o anterior; no caso das juntas prismticas, a distncia entre um elo (ou um ponto determinado dele) e a junta que o une com o elo anterior. Observe-se que o estado dessas variveis suficiente para determinar a posio do efetuador, pois, se for conhecida a posio de cada uma das juntas a partir da primeira (a que une a base com o primeiro elo) e os comprimentos dos elos, possvel conhecer a posio do efetuador. Essas variveis so conhecidas pelo nome de coordenadas generalizadas. Em geral elas so representadas por meio de um vetor de tantas componentes quantas juntas tem o manipulador, independentemente de que algumas dessas componentes representem ngulos, e outras distncias. Na figura 4 mostrado um rob manipulador de duas juntas de revoluo. As coordenadas generalizadas sero dadas pelo vetor [q1 q2], cujas componentes representam os ngulos dessas juntas. Conhecendo o valor desse vetor, bem como os comprimentos dos elos, os quais foram denominados no desenho como L1 e L2, possvel determinar a posio do efetuador (ou, mais precisamente, do extremo do ltimo elo), expressa em funo de um par de eixos cartesianos ortogonais (x;y) com a origem solidria com a primeira junta.

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

GRAUS DE LIBERDADE O nmero total de juntas do manipulador conhecido com o nome de graus de liberdade (ou DOF, segundo as iniciais em ingls). Um manipulador tpico possui 6 graus de liberdade, sendo trs para o posicionamento do efetuador dentro do espao de trabalho, e trs para obter uma orientao do efetuador adequada para segurar o objeto. Com menos de 6 graus de liberdade, o manipulador poderia no atingir uma posio arbitrria com uma orientao arbitrria dentro do espao de trabalho. Para certas aplicaes como, por exemplo, manipular objetos num espao que no se encontra livre de obstculos, poderiam ser necessrios mais de 6 graus de liberdade. A dificuldade de controlar o movimento aumenta com o nmero de elos do brao. Na figura 5 apresenta-se uma representao dos trs graus de liberdade de um brao mecnico, referentes s trs primeiras juntas, necessrias para o posicionamento do efetuador. Neste exemplo particular, observa-se que as duas primeiras juntas so de revoluo e a terceira prismtica, permitindo ao ltimo elo se afastar ou aproximar do segundo. As ltimas trs juntas recebem usualmente o nome de punho. Como foi mencionado, elas tm por objetivo orientar o efetuador numa direo arbitrria, conveniente para a tarefa a ser realizada. Por exemplo, uma garra deve estar orientada convenientemente com respeito pea de trabalho, a fim de poder agarr-la. Essas juntas so sempre de revoluo, pois o objeti-

vo a orientao do efetuador e no seu posicionamento. As coordenadas generalizadas, ou variveis que caracterizam o movimento dessas trs juntas, so ngulos que recebem o nome genrico de pitch, yaw, e roll, respectivamente. A junta de roll representa a rotao do efetuador com respeito ao eixo transversal do ltimo elo, ou eixo que coincide com a orientao dele. Na de yaw, o eixo de rotao est em uma perpendicular ao ltimo elo, e envolveria o giro do efetuador direita e esquerda. Na junta de pitch o eixo de rotao perpendicular ao anterior, e envolveria o giro do efetuador para cima e para baixo. Esta junta chamada s vezes de inclinao do efetuador. Observe-se que nestas trs juntas os eixos de rotao so sempre perpendiculares, permitindo uma orientao do efetuador em qualquer ngulo de rotao, de inclinao esquerda ou direita, e de inclinao para cima e para baixo. claro que os limites de movimento de cada uma dessas trs juntas limitaro as orientaes possveis do efetuador. Na figura 6 so representadas essas trs juntas. No extremo do punho fixado o efetuador, ou dispositivo destinado a trabalhar sobre o objeto a ser manipulado. Em geral, os punhos nos braos mecnicos e em outros tipos de manipuladores permitem a remoo e troca do dispositivo efetuador com facilidade, adequando o rob para diferentes tarefas que exijam diferentes tipos de efetuadores. ESPAO DE TRABALHO O espao de trabalho do manipulador o termo que se refere ao espao dentro do qual ele pode movimentar o efetuador. Ele definido como o volume

Figura 5: Brao mecnico de 3 DOF. Duas juntas de revoluo e uma prismtica.

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Figura 6: Representao das trs juntas do punho do manipulador.

total conformado pelo percurso do extremo do ltimo elo (o punho), quando o manipulador efetua todas as trajetrias possveis. Em geral, no considerada a presena do efetuador para definir este volume de trabalho, pois se fosse assim este volume ficaria determinado pelo seu tamanho, o qual depende do dispositivo terminal utilizado. Por exemplo, este volume variaria dependendo do efetuador ser uma garra ou uma ponta de solda comprida. Note-se que este volume depender da anatomia do rob, do tamanho dos elos, assim como dos limites dos movimentos das juntas (nas juntas de revolu-

o, por exemplo, existir um ngulo mximo de giro, determinado por limites mecnicos). A posio do punho do manipulador pode ser representada no espao de trabalho ou no espao das juntas. A posio no espao de trabalho determinada pela posio do punho segundo um sistema de trs eixos cartesianos ortogonais, cuja origem em geral solidria com a base do rob. Portanto, a posio do punho representada no espao de trabalho como um vetor de trs componentes [x y z]. A posio no espao das juntas representada pelo vetor de coordenadas generalizadas, ou vetor cujas componentes significam a posio de cada junta (ngulo,

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

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Figura 8 - Manipuladores de configuraes cartesianas (a), cilndrica (b), esfrica (c) e de revoluo (d).

se for de revoluo ou distncia, se for prismtica), relativas a uma posio inicial arbitrria. Como foi especificado anteriormente, o conhecimento dos valores das coordenadas generalizadas suficiente para determinar a posio do punho dentro do espao de trabalho. A influncia da configurao fsica sobre o volume de trabalho ilustrada na figura 7. Observese que, dependendo da configurao, este volume pode ser um semi-esfera parcial, um cilindro, ou um prisma. Nos robs reais, os limites mecnicos no movimento das juntas produzem um espao de trabalho com contornos complexos, como ilustrado na figura 8, acima. ANATOMIA DOS MANIPULADORES Existem diferentes configuraes fsicas ou diferentes anatomias, nos robs manipuladores. Cada uma delas encontrar utilidade em alguma aplicao especfica. Essas configuraes esto determinadas pelos movimentos relativos das trs primeiras juntas, aquelas destinadas ao posicionamento do efetuador. Efetivamente, elas podem ser prismticas, de revolu-

o, ou uma combinao de ambas. Para cada combinao possvel haver uma configurao fsica ou anatomia, diferente. Observe-se que a configurao fsica independe do tamanho dos elos, pois eles determinaro em todo caso o tamanho do espao de trabalho, mas no sua forma. As configuraes fsicas, ento, esto caracterizadas pelas coordenadas de movimento das trs primeiras juntas, ou pelas trs primeiras coordenadas generalizadas, que so as variveis que representam o movimento delas. Na maioria dos robs manipuladores industriais, independentemente do tamanho e formas dos seus elos, dispe-se de quatro configuraes bsicas: Coordenadas cartesianas; Coordenadas cilndricas; Coordenadas esfricas ou polares; e Coordenadas de revoluo. ACIONAMENTO DO MANIPULADOR O movimento em cada junta realizado por atuadores. Os principais utilizados so motores eltricos, pistes hidrulicos e pistes pneumticos, os

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quais podem dar s juntas um movimento linear ou de rotao. Os atuadores so conectados mecanicamente s juntas por meio de diferentes mecanismos de transmisso de potncia mecnica, tais como engrenagens, polias, correntes e parafusos de acionamento destinados a dar ao movimento a desejada direo, fora e velocidade. No caso dos braos mecnicos, o mais comum empregar motores eltricos, que podem ser de corrente contnua, com m permanente ou de passo. Na hiptese de alguma das juntas ser prismtica, em geral o movimento linear conseguido atravs de um parafuso de acionamento, que transforma o movimento de rotao do motor num deslocamento linear. O acionamento eltrico propicia ao rob uma maior preciso, alm de requerer espaos reduzidos para sua montagem, podendo se colocar os atuadores na prpria estrutura fsica do manipulador. O acionamento hidrulico geralmente associado a manipuladores de maior porte, pois eles propiciam ao rob maior velocidade e fora. Em contrapartida, ele se soma ao espao til requerido pelo rob, o que o aumenta consideravelmente, alm de sofrer de outros inconvenientes tal como a possibilidade de vazar leo. Os robs com acionamento hidrulico podem ter juntas prismticas, movimentadas por meio de pistes, ou de revoluo, atravs de motores hidrulicos. O acionamento pneumtico empregado em robs manipuladores de pequeno porte e com poucos graus de liberdade, geralmente no mais de dois. Por no terem os pistes pneumticos uma grande preciso, devido compressibilidade do ar, esses robs assim acionados so utilizados em operaes de pega e pe (conhecidos como pick & place), onde os elos se deslocam bruscamente entre dois extremos possveis, dados pelos limites mecnicos dos pistes no modo de bang-bang, sem possibilidade de controle sobre a trajetria intermdia do efetuador. Como j foi visto anteriormente, o controlador cuida, atravs do programa de controle, para que o manipulador realize a tarefa programada com a maior preciso possvel dentro das especificaes tcnicas. Em caso do rob ser movimentado por motores de passo, ele pode ser controlado em malha aberta, por possuirem esses dispositivos preciso na rotao. Mas se for acionado por motores de corrente contnua, necessrio fechar a malha atravs de sensores, porque o controlador precisa conhecer a resposta do manipulador a fim de imprimir nos motores os sinais de excitao necessrios para executar a trajetria com preciso. Os sensores utilizados so sensores de posio, um para cada junta. Os mais comuns so os encoders ticos incrementais, onde o controlador vai contando os pulsos entregues pelo sensor tico

para conhecer a posio da junta. s vezes so empregados potencimetros rotativos tambm, onde o sinal analgico entregue proporcional ao ngulo de rotao da junta. Na hiptese da junta ser prismtica, uma engrenagem pode converter o movimento linear para uma rotao e assim entregar a informao para um encoder. Tambm podem ser usados sistemas de viso digitais, pois analisando a imagem fornecida, o controlador pode conhecer a posio de todas as juntas do brao. Dependendo da tarefa, o efetuador capaz de exercer uma determinada fora sobre uma superfcie sobre a qual desliza, por exemplo para efetuar uma solda, ou um corte, entre outras aplicaes possveis. Nesse caso, o controlador no mais controlar apenas a trajetria do efetuador, mas tambm a fora que este exerce sobre a superfcie, a fim de no quebr-la ou no deteriorar a ferramenta utilizada. Para isso necessria a utilizao de sensores de fora no punho do manipulador, e em geral so usados strain gauges. Em alguns casos os programas de controle precisam conhecer as velocidades das juntas tambm, no apenas as posies, e isto depende da lei de controle a ser implementada. Porm, no comum utilizar tacmetros nos manipuladores por causa do alto nvel de rudo desses dispositivos. Em geral, o controlador deriva a posio com respeito ao tempo para estimar a velocidade. O manipulador deve ser controlado por algum tipo de controlador programvel. No caso dos braos mecnicos, o mais comum trabalhar com computadores digitais. O programa de controle responsvel por conseguir que a operao feita pelo manipulador acompanhe, da maneira mais fiel possvel, a posio de referncia. Esta posio pode ser inserida externamente atravs de um mouse, um joystick, ou pelo teclado, ou pode estar j programada dentro do software de controle. Interfaces, placas de potncia e conversores A/ D e D/A completam a estrutura do sistema de controle e da planta apropriada para um funcionamento adequado. l

NO PRXIMO NMERO: Controle de manipuladores Preciso e repetitibilidade Efetuadores O rob manipulador Armdroid

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PROJETO

CONTROLE DE MESA XYutilizando motor de passoSebastio G. dos Santos FilhoProfessor Associado do Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrnicos da Escola Politcnica da USP

O controle automtico de mesas XY tem aplicao direta na identificao de padres de objetos por metrologia ptica, na medio eltrica automtica de componentes na indstria de microeletrnica, na obteno do contedo de material particulado em superfcies de CDs visando controle de qualidade, em aparatos pticos para medidas de rugosidades superficiais, dentre outras possveis. Neste artigo, vamos abordar o controle automtico de deslocamentos horizontais micromtricos em uma mesa XY utilizando motores de passo visando a deteco de material particulado ao longo de superfcies.

Uma mesa XY com controle de passo micromtrico composta de partes micromecnicas contendo carros acionados por parafusos com roscas finas, motores de passo, circuitos eletrnicos de controle, circuitos de interface para microcomputador e software de gerenciamento. Portanto, um exemplo claro de sistema mecatrnico, pois envolve acionamentos micromecnicos controlados por motores de passo. A seguir, vamos descrever os diversos blocos que compem a mesa XY. O MOTOR DE PASSO O motor de passo um dispositivo empregado na converso de pulsos eltricos em movimentos rotativos discretos de um elemento chamado rotor. Os motores de passo podem apresentar duas ou quatro bobinas (fases) internas que, ao se28

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

corresponde aos fluxos magnticos nos sentidos indicados. Observe que os estatores ficam magnetizados com plos norte e sul. Considerando que a largura de cada magneto do rotor L = D, observe na figura 1B que os dois blocos estatores apresentam dentes que esto deslocados entre si de L/2. O nmero de pares de magnetos norte-sul permanentes do rotor feito rigorosamente igual ao nmero de pares de dentes nor te-sul do de cada estator. Para que haja o movimento passo-a-passo do rotor, seja no sentido horrio, seja no sentido anti-horrio, necessrio variar a posio das chaves 1 e 2 em intervalos de tempo definidos. A figura 2 mostra uma representao esquemtica do motor de passo da figura 1 onde esto indicadas as bobinas 1 e 2, as chaves para comutao de polaridade e a conveno de cores para o assim chamado motor de passo universal. Apesar da conveno de cores, diversos fabricantes de motores utilizam conveno prpria com cores distintas e, por isso, sempre necessrio uma cuidadosa consulta ao manual. A tabela 1 mostra a seqncia de polarizaes que devem ser aplicadas s chaves 1 e 2 da figura 2 de forma que haja movimento passo-a-passo no sentido horrio (seqncia 1, 2, 3, 4, 1, 2 ...) ou no sentido anti-horrio (seqncia 4, 3, 2, 1, 4, 3 ....). Observe que a tabela 1 formada por 4 passos que se repe-

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PROJETO

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

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

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

tos eletrnicos de chaveamento. De forma geral, podemos dizer que os motores de passo utilizados em conjunto com circuitos digitais, microcontroladores e transistores apresentam controle preciso e repetitivo de posio e velocidade ao longo de sua vida til. Os passos angulares possveis dependem da construo fsica de cada motor, sendo comuns valores de 7,5; 15 e

Tabela 1 Seqencia de chaveamento das bobinas L1 e L2 da figura 2 em quatro etapas utilizando polarizaes +V e V.

18 que, por sua vez, correspondem a 48, 24 e 20 passos por revoluo completa, respectivamente. Por outro lado, tambm possvel controlar o motor numa seqncia de 8 etapas a partir de metades de passo, isto , tomando um motor com passo angular de 7,5 pode-se obter-se 3,75. Para tanto, alm de29

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PROJETOlizando-se, para tanto, uma nica fonte de alimentao +V. Neste caso, o motor de passo passa a ser chamado tambm de unipolar, enquanto que o motor de passo do circuito da figura 2 , conforme j mencionado, do tipo bipolar (so necessrias duas fontes +V e V). No circuito da figura 4 os transistores Q1, Q2, Q3 e Q4 funcionam como chaves eletrnicas. Elas estaro ligadas ou fechadas (estado ON) quando aplicarmos nas entradas E 1, E 2 , E 3 e E 4 uma tenso +V e estaro desligadas ou abertas quando as entradas estiverem aterradas (estado OFF). As tabelas 3A e 3B apresentam respectivamente uma seqncia de 4 passos (ambos os estatores ficam sempre magnetizados) e uma outra seqncia de 8 meios passos (um estator magnetizado por vez). Vale o que j foi dito anteriormente para o circuito da figura 2, isto , quando operando em meio passo, apesar do passo angular cair pela metade, o desempenho em termos de torque do motor cai de cerca de 30%. O motor de passo a ser escolhido para uma dada aplicao micromecnica deve ter torque suficiente para vencer a inrcia do rotor

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

comutar as chaves entre +V e V, a posio aterrado ou off (desligado) na figura 2 passa a ser tambm uma opo de chaveamento. A tabela 2 ilustra a seqencia de chaveamento onde foi includa a posio off. Nesta situao de operao a meio passo, o torque do motor decai de cerca de 30% quando se tem apenas uma bobina energizada de cada vez, comparado ao caso em que ambas as bobinas esto energizadas.

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

Tabela 2 Seqencia de chaveamento das bobinas L1 e L2 da figura 2 em oito etapas (oito meios-passo) utilizando polarizaes +V, V e off.

Figura 4 Representao de motor de passo unipolar de 4 fases e dois estatores, acionado pelas chaves eletrnicas (transistores) Q1, Q2, Q3 e Q4.

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PROJETOOnde v a variao de velocidade em passos/s no intervalo de tempo t em segundos. Se a velocidade do motor parte de zero e vai at v e tomarmos t = 2passos/ v, ficamos com a expresso aproximada tambm apresentada na equao 3. Os fabricantes de motores de passo fornecem normalmente uma curva caracterstica de torque em funo da velocidade em passos por segundo, nas situaes esttica (incio do movimento sem rro: start without error) e dinmica (motor em regime numa velocidade v: running). A figura 5 apresenta o formato tpico de uma curva de Torque em funo da velocidade para o motor de passo K82702, da Philips [1]. Observe, por exemplo, na curva esttica que, para atingir uma velocidade de 150 passos por por segundo a partir do repouso, as foras de frico devem ser tais que o torque associado no supere 18 mNm. Por outro lado, quando em regime, na velocidade de 150 passos por segundo, o torque do motor pode atingir at 24 mNm. importante destacar que a equao 3 deve ser empregada em conjunto com a curva dinmica. Significa, por exemplo, que para atingir a velocidade de 150 passos por segundo, o torque obtido atravs da equao 3 no pode superar o valor de 24 mNm. A figura 6 ilustra as expresses do momento de inrcia de um rotor macio cilndrico de massa MR e raio R bem como de um bloco de massa ML sustentado por uma polia de raio R conectada ao eixo do motor. importante destacar que o valor de J na equao 2 ser simplesmente calculado pela expresso apresentada na figura 6A, se no houver nenhuma outra carga mecnica conectada ao eixo do motor. J a figura 7 mostra o caso de uma carga de massa ML sendo movimentada na direo horizontal atravs de um parafuso. Nesse caso, a inrcia total J do conjunto dada por: (4)31

Tabela 3 - Seqencia de chaveamento das chaves eletrnicas Q1, Q2 Q3 e Q4 da figura 4: (A) em quatro etapas onde ambos os estatores ficam sempre magnetizados; (B) em oito etapas onde os estatores so magnetizados alternadamente.

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

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

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PROJETOOnde P a densidade do parafuso ( = 78,3.104 gm3 para o ferro), D o dimetro do parafuso (m), L o passo da rosca do parafuso (m), ML a massa da carga (g), MR a massa do rotor e R o raio do rotor. MICROMECNICA DA MESA XY No presente artigo, a mesa XY foi especificada para ter dimenses de 15 cm x 15 cm de forma a poder acomodar sobre sua superfcie lminas de silcio de 10 cm de dimetro ou CDs (compact disc) de 12 cm de dimetro. A excurso total nas direes X e Y foi expecificada como sendo de 6 cm x 6 cm e passos de deslocamento em X e Y de 0,01 mm. A mesa XY a ser controlada pelos motores de passo foi montada a partir de dois transladores comerciais [2], um para a direo X e outro para direo Y. O translador consiste de um bloco fixo sobre o qual desliza um outro bloco acionado por um parafuso de rosca fina com passo de frao de milmetro, conforme mostrado na figura 8. O acionamento do translador feito conectanto-se o motor de passo no parafuso mostrado nessa figura. Dois transladores idnticos foram aparafusados um sobre o outro, isto , o bloco fixo de um deles foi aparafusado no bloco mvel do outro. A figura 9 apresenta a montagem final do conjunto, onde pode-se observar cada motor de passo acionando cada translador, sendo que todo o conjunto foi fixado por parafuso sobre uma base rgida de ferro. Para conseguir um passo de 0,01 mm nas direes X e Y da mesa, escolhemos um motor de passo com passo angular de 7,5 acoplado a um parafuso com rosca de 0,01 polegadas. O valor do torque necessrio foi estimado atravs da equao 3 para uma velocidade final de regime de 20 passos por segundo. A inrcia J empregada no clculo do torque (equao 3) foi estimada com base na equao 4. O motor de passo escolhido que atendia as caracte-

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

Figura 6 Momentos de inrcia: (A) Rotor macio cilndrico de massa MR e raio R; (B) um Bloco de massa ML sustentado por uma polia de raio R conectada ao eixo do motor.

Figura 7 Carga de massa ML sendo movimentada na direo horizontal atravs de um parafuso.

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PROJETOtos discretos e portas lgicas de forma a obter os sinais retangulares cujas descries j foram apresentadas nas tabelas 1, 2 e 3. Esses sinais retangulares poderiam estar diretamente atrelados a um sinal de relgio de freqncia varivel, o que permitiria controlar a velocidade de rotao do motor de passo. No entanto, no necessrio tamanha mo de obra, pois j existem circuitos integrados dedicados que se encarregam de fornecer todos os sinais de controle para motores de passo, tanto unipolares quanto bipolares, tendo como referncia um dado sinal de relgio. Esse o caso, por exemplo, do circuito integrado SAA1027, da Philips. A figura 10 ilustra uma aplicao tpica do CI SAA1027 para motor de passo unipolar de 4 fases (4 bobinas) e dois estatores. Internamente, o SAA1027 composto de diversos blocos conforme indicado na figura 10. Os blocos de entrada HNIL/CML permitem alto isolamento (imunizao) contra rudos, o bloco CTRL2 um contador

Figura 8 Translador empregado na construo da mesa XY.

rsticas de torque desejado foi o ASTROSYN MINEBEA 28BBH101-54 [3,4] que possui 4 fases