Revista Mecatronica Atual - Edicao 003

SEO DO LEITORDireito de resposta

SEO DOObrigado a todos os leitores que nos enviaram cartas e e-mails. Infelizmente o espao no suficiente para publicar todas as cartas, mas escolhemos aquelas que julgamos trazer informaes para a maior parte dos leitores. Continuem enviando os seus comentrios, crticas, sugestes, pois somente com esse suporte poderemos adequar as nossas publicaes ao que nossos leitores necessitam. Cartas: Editora Saber Rua Jacinto Jos de Arajo, n 315 CEP 03087-020 So Paulo SP Brasil E-mail: [email protected]

Controle PID Gostaria de sugerir uma matria sobre Controles PID (Proporcional, Integral, Derivativo) que so utilizados em programao de PLCs, pois muito difcil encontrar material detalhado sobre este assunto. Atenciosamente, Vagner Hiroshi Inoue Caros editores, Sou graduando de Engenharia de Controle e Automao da Universidade Federal de Santa Catarina, e gostei muito dos artigos que li nas duas primeiras edies da revista Mecatrnica Atual. O fato de integrar vrios campos da Mecatrnica numa linguagem acessvel, torna essa revista muito interessante e de fcil leitura. Gostaria de suger ir ar tigos na rea de controle de processos, como tipos de controladores, estratgias de controle, sintonia de controladores PID, etc. Obrigado e parabns, Guilherme Figueira Althoff

Gostaria de parabenizlos pela 2 edio da revista Me ca tr n i ca Atu a l . J vejo um progresso medida que vo surgindo novas edies. No entanto, de nosso interesse que se publiquem afirmaes com total certeza e sem parcialidades. O fato a que me refiro trata de uma notcia relatada na Seo do Leitor onde um leitor afirma genericamente que os profissionais que saem dos CEFETs no conhecem CLPs, inversores, dentre outros. claro que publicaes tcnicas s nos trazem benefcios e melhoramentos, mas chegar ao ponto de publicar uma notcia dessas numa revista de mbito nacional, DEM A I S ! S o u fo r m a d o n o CEFET-CE em Tecnologia de Mecatrnica e no admitiria aceitar um diploma de graduao sem pelo menos ter visto algo sobre esse assunto. Os CEFETs tm compromisso com a qualidade de ensino e se isso est ocorrendo por motivo de complacncia dos alunos dessa instituio. Obrigado, Artur Teixeira

Caros Vagner e Guilherme, Uma vez que o nosso maior interesse produzir uma revista til, muito importante que os leitores faam as suas sugestes e nos alertem para aquilo que julgarem estar faltando na revista. Mesmo que no seja possvel atender a todas as sugestes, procuramos publicar aquelas que so mais solicitadas, como foi o caso do controle PID. Obrigado pelo apoio e continuem nos auxiliando.

Caro Artur Ns que agradecemos a sua contribuio e pedimos desculpas se causamos algum constrangimento aos alunos do CEFETs, pois no foi essa a nossa inteno. A Seo do Leitor um espao onde vocs podem, alm de fazer sugestes e crticas, manifestar as suas opinies. Admitimos porm que houve uma falha de nossa parte, pois o leitor se manifestou de forma generalizada, o que certamente no representa a verdade.

MECATRNICA ATUAL N 3 - ABRIL/2002

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SEO DO LEITORInversores de freqncia - I Prezados Editores: Sou leitor da publicao Mecatrnica Atual e tenho obtido um grande retorno de informaes tcnicas na rea de automao industrial. Sou tcnico em Instrumentao h 16 anos, j tendo trabalhado em diversas indstrias de diferentes setores. Atualmente, gostaria que, se possvel, fossem publicados nas prximas edies artigos referentes a Interfaces de Processo R.P.I, talvez em parceria com a Pepperl+Fuchs ou Sense, e tambm um artigo sobre Interbus, este em parceria com a Phoenix Contact. Gostaria de parabeniz-los sobre o detalhamento tcnico na publicao sobre Inversores de Freqncia na revista de n 02 da Mecatrnica Atual, de fevereiro. Desde j, agradeo pela ateno. Claudinei da Costa Bispo Gostaria de parabeniz-los pela matria sobre Inversores de Freqncia. O tema foi abordado de maneira bastante didtica e com bons exemplos. Gostaria de saber qual a periodicidade da revista. Carlos Pires Penso que h um equvoco na interpretao da frmula E=K.(Phi).n (Mecatrnica Atual - nmero 2, pg.8) quando se diz que: tambm o fluxo magntico influencia a rotao, s que de modo inverso quanto maior o fluxo, menor a rotao e vice-versa, pois a principal componente da constante K o nmero de espiras das bobinas do motor. Logo, um motor com alto fluxo magntico (e portanto, alto torque) pode ter maior rotao se projetado com menor nmero de espiras. No assim com um transformador? Um transformador pequeno tem alto nmero de espiras por volt, j um transformador com maior rea no ncleo e, portanto, maior fluxo magntico, tem menor nmero de espiras por volt. Djalma Toledo Rodrigues

Prezados Claudinei e Carlos, Ficamos felizes que tenham gostado da matria sobre inversores de freqncia. Quanto s suas sugestes, elas esto anotadas. Est sendo publicada na revista Saber Eletrnica uma srie muito boa sobre redes Fieldbus que, certamente, ser muito til para vocs. Pretendemos, futuramente, abordar esse assunto tambm na revista Mecatrnica Atual. Quanto periodicidade da revista, ela bimestral (esperamos que em breve ela se torne mensal!).

Caro Djalma, A frmula est correta. Em um acionamento CC, quanto menor o fluxo magntico, maior a rotao. Existem at sistemas supervisrios em que, na ausncia do campo de excitao, os rels ou contatores desligam o motor para que o mesmo no se danifique por excesso de velocidade de rotao. A frmula em questo refere-se fora contra-eletromotriz induzida, e no consumida. Talvez esse conceito que o tenha confundido. De qualquer forma, valeu a sua participao. s vezes uma dvida, por mais bsica que possa parecer, pode ajudar vrios leitores com dificuldades em campo. Obrigado Djalma, e continue colaborando.

Agradecimento Oi! Curso Engenharia Mecnica na Escola Superior de Engenharia da U.E.A em Manaus e Produo Mecnica no CEFET-AM. H algum tempo vinha procurando uma revista que estivesse voltada para a rea da Mecnica. Quando vi a Mecatrnica Atual pela primeira vez, fiquei to entusiasmado que nem pude acreditar que houvesse uma revista especializada em Mecnica e Eletrnica ao mesmo tempo e que abordasse os assuntos e as aplicaes que ambas possuem. Agora posso ampliar meus conhecimentos, estabelecer novas metas para o futuro e estar bem informado por essa (conceituada) revista. Agradeo desde j a todos os colaboradores que faro dessa publicao um grande sucesso, assim como foram as outras. Um forte abrao! Jarison Alan F. Maciel Caro Jarison, Somos ns , aqui da Redao, que agradecemos pelas suas palavras de incentivo. Quando decidimos4

criar as revistas de Mecatrnica, nosso desejo foi justamente preencher uma lacuna que existia no segmento das publicaes tcnicas. bom saber que elas esto cumprindo plenamente o seu papel.Erramos Na ltima edio, no artigo Eletropneumtica, quando o autor descreve a funo E, houve uma troca nas referncias das figuras. O circuito Pneumtico Equivalente est representado na figura 11-d e o Circuito Eltrico Equivalente mostrado na figura 11-c. No artigo Robs Manipuladores 1 parte" a figura 8 refere-se quatro tipos de anatomia dos robs manipuladores e no ao seu espao de trabalho.


SEO DO LEITORInversores de Freqncia - II Prezados Editores. Sou leitor antigo de suas publicaes (Revista Saber, dcada de 80).Como profissional da rea, achei muito interessante o artigo sobre inversores, contudo discordo de algumas citaes, mais especificamente no tocante ao dimensionamento do inversor, pois os dados divulgados como suficientes (tenso de trabalho, potncia do motor e tipo de aplicao) no bastam para determinar o aparelho correto. No foi mencionado o nmero de plos do motor, e como se pode observar em uma tabela de motores, esse parmetro pode determinar a corrente de consumo do motor. Assim, poderemos adquirir um aparelho subdimensionado, e que no funcionar a contento. Outro parmetro ignorado foi o regime de funcionamento, standard ou severo (mesmo no caso do exaustor), o que poder desclassificar o aparelho adquirido. Temos que levar em considerao tambm o local de instalao. Digamos que esse inversor ligado a um exaustor, esteja trabalhando dentro de uma estufa, a uma temperatura superior a 40C, a desclassificao trmica comprometer o funcionamento do aparelho, podendo inclusive danificlo e a temos o maior problema, que a assistncia tcnica, que nem sempre referencial de segurana, pois comercializao uma coisa e assistncia tcnica outra. (Aparelhos que possuem uma grande rede de pontos de assistncia tcnica so aparelhos que necessitam de uma muita assistncia tcnica, em outras palavras, no so de boa qualidade). Outro ponto que no foi mencionado a incorporao de filtros de rudo no equipamento e a esbarramos feio na afirmativa feita no final do artigo, no tocante ao fabricante : O PREO DEVE DETERMINAR A ESCOLHA. O barato pode sair caro e custar at o emprego do profissional que determinou a compra do equipamento sem analisar todas as propostas, no no tocante ao preo e sim s caractersticas oferecidas por cada produto e fabricante. Pois em muitas situaes os vendedores omitem determinadas caractersticas e, uma vez vendido o produto, comea uma verdadeira romaria de desculpas e vendas de acessrios, como filtros para um funcionamento adequado, o que elevar o preo final do produto e desgastar a imagem de quem o dimensionou. Como uma Editora que visa alm do lucro, a informao correta e a melhor orientao aos seus leitores, e como leitor e profissional, aconselhamos que seja colocado aos leitores, que na sua grande maioria no tem experincia de campo, que a coisa no to simples como parece e, sim, deve-se alertar sobre todas as alternativas para que o dimensionamento do equipamento esteja sempre direcionado para suportar as condies mais severas de utilizao pois, uma hora de processo parado pode custar muito mais caro que a diferena de preo de um equipamento bem dimensionado e de boa qualidade. Se o profissional no se sentir seguro na escolha, ele dever procurar os servios de orientao tcnica das empresas atravs do 0800, Internet ou promotores tcnicos, profissionais de outras empresas que tm equipamentos similares instalados e sempre, antes da escolha final, analisar todas as caractersticas dos equipamentos em questo. Se a alternativa preo fosse o principal item de escolha, ns s teramos carros da LADA andando nas ruas. CSZ

Caro Leitor, Atualmente, as duas nicas caractersticas que importam na escolha de um inversor so: a "Filosofia de controle - Inversor vetorial ou escalar, e a Potncia do dispositivo. Todas as demais so parametrizveis via software (tenso de trabalho, ajustes de rampa, freqncia de PWM, tenso e velocidade mxima do motor, etc.). Quanto aos filtros, basta verificar se o fabricante tem ou no o certificado de EMC (at hoje no encontrei nenhum que no o tivesse). Obrigado pela participao!5


SEO DO LEITOR

Prezados Senhores, Sou estudante universitrio de Engenharia de Controle e Automao e tomei conhecimento das revistas Mecatrnica Fcil e Mecatrnica Atual, recentemente. Estou interessado em fazer as assinatura da revista e, se possvel, receber as edies anteriores.Gostaria de receber informaes. Atenciosamente, Eliseu Frana Estava navegando pelos sites que abordavam o assunto Mecatrnica e achei o da Revista Mecatrnica Fcil, pelo qual me interessei bastante, j que sou aluno de Mecatrnica do Cefet - CE. Gostaria de saber se existe a possibilidade de uma assinatura ou outra forma de eu adquirir os exemplares da revista. Obrigado pela ateno, Gabriel

Prezados Eliseu e Gabriel, J possvel fazer as assinaturas das revistas Mecatrnica Atual e Mecatrnica Fcil. As assinaturas e aquisies de nmeros atrasados podem ser feitas atravs dos sites das revistas: www.mecatronicaatual. c o m . b r ( M e c a t r n i c a A t u a l ) e www. m e c a t ro n i c a f a c i l . c o m . b r (Mecatrnica Fcil). Ou ento atravs do telefone (0xx11) 6192-4700. No site possvel conhecer os artigos publicados em cada revista. No deixe de completar a sua coleo.Prezados editores, chamo-me Joo Batista e leciono a disciplina de Automao Industrial na Escola Tcnica Estadual Monteiro Lobato. A mesma est situada em Taquara - RS e oferece trs cursos tcnicos de nvel mdio: Eletrnica, Eletrotcnica e Mecnica. Em funo das alteraes curriculares que visam a atualizao e adequao desta realidade do mercado de trabalho, a partir deste semestre a disciplina de Mecatrnica passar a fazer parte de nosso currculo escolar. Na busca de infor maes que pudessem dar maior consistncia ao contedo programtico, acabei conhecendo a revista Mecatrnica Atual, que possui uma abordagem bastante simples e extremamente didtica de muitos dos temas que sero abordados durante o semestre. Seria, portanto, de grande interesse adicion-la bibliografia da disciplina. Entretanto, no foi possvel encontrar nas bancas as edies anteriores ao ms atual, gostaria de ser informado sobre a forma ou procedimento para aquisio dessas publicaes. Sem mais para o momento, agradeo a vossa ateno. Cordialmente, Prof. Joo Batista P. dos Santos

Prezado Joo, Obrigado por indicar a nossa revista para os seus alunos. Ficamos felizes ao ver os professores de vrias instituies de ensino utilizando a s i n fo r m a e s c o n t i d a s n e l a . U m d o s g ra n d e s d i fe r e n c i a i s d a Mecatrnica Atual que procuramos no nos limitar exposio de um determinado tema, mas sim propor solues atravs de situaes prticas. Isto faz com que as informaes aqui contidas sejam de grande valia para quem trabalha e para quem pretende trabalhar com Automao Industrial. Continue nos acompanhando e colaborando para a melhoria das revistas. Quanto a assinatura e aquisio de nmeros atrasados, veja a resposta acima.

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NOTCIAS NOTCIAS

MECATRNICA NOTCIASNewton C. Braga

O Primeiro Rob da Johnson & Johnson na Amrica Latina Instalado em Fbrica de So Jos dos CamposA fbrica de escovas dentais da Johnson & Johnson, em So Jos dos Campos, acaba de ganhar um colaborador inusitado - um rob. A mquina, que coleta, empilha e inspeciona as embalagens blister das marcas Johnson & Johnson e Reach, a primeira do gnero que a empresa instala na Amrica Latina. A expectativa que no decorrer do ano outras duas linhas de escovas tambm ganhem um rob, concluindo a automatizao da produo. A atividade executada pelo rob a seguinte: ele retira as embalagens, verifica se no h embalagem sem escova, coloca uma cinta em cada dzia e empilha as mesmas. Caso alguma cartela no contenha escova dentro, ela automaticamente descar tada. O objetivo da aplicao de um rob foi aumentar a velocidade do equipamento. Mas houve outros ganhos, pois alm da agilizao do processo, eliminou-se uma atividade de risco ergonmico alto, pela velocidade e repetio dos movimentos. Este benefcio est intimamente ligado s preocupaes com o ambiente de trabalho e qualidade de vida dos funcionrios. Dentro desse esprito, a automao das atividades executadas pelo rob no causou demisses na fbrica. Os funcionrios envolvidos neste trabalho foram direcionados para outras tarefas, incluindo a operao de mquinas.

A Banner Lana Sensor de Longo AlcanceA Banner Engineering Corp., de Minneapolis, USA, lanou o L- GAGE LT3, um sensor laser para medidas de longo alcance. Esse produto utiliza laser classe 2, podendo medir distncias de objetos com um alcance de at 50 metros. Com a nova tecnologia de Time-of-Flight, o LT3 mede com preciso o tempo que o feixe de laser demora para ir e voltar at o objeto do qual se deseja saber a distncia. O sensor tem um alcance de 0,3 a 3 metros para objetivos cinzas, e de 0,3 a 5 metros para objetos brancos. Para distncias maiores, existe um modelo retrofletor com alcance de at 50 metros. O sensor tem sadas analgicas e digitais e ainda uma funo remota TEACH. Com essa funo pode-se programar o objeto centralizado em uma janela estreita de 1 metro sem a necessidade de se ajustar o potencimetro. Mais informaes no site www.bannerengineering.com.br

Disponvel o Novo Software SURFCAM 2D FreeA Surfware est anunciando seu novo produto, o SURFCAM 2D Free, despachado para usurios registrados desde 4 de dezembro. O SURFCAM 2D um software gratuito consistindo num sistema CAD/ CAM completo, com translators IGES-in, DWG-in e DXF-in, capacidades de trabalho em dois eixos, drilling e contorno, editor NC, DNC bsico (Direct Number Control) e uma seleo de recursos. Mais informaes sobre o produto podero ser obtidas em www. surfware.com onde o leitor, ademais, poder registrar-se para receber o produto. O produto que rodar durante 14 dias na verso demo tem condies limites de operao.

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NOTCIASFluxmetros de Acrlico de Alta DurabilidadeUma nova linha de fluxmetros de baixo custo para aplicaes de fluxo de fluidos e gases foi lanada na Amrica Latina pela Key Instruments. Os medidores Flow-Rite foram projetados visando rapidez de instalao e de desmontagem para manuteno. A empresa est estabelecendo novas parcerias para distribuio na Amrica Latina. Dentre as aplicaes dos medidores Flow-Rite, destacamos os arrefecedores para sistemas de condicionamento de ar, torres de estiramento de fibras pticas, equipamentos de amostragem de ar, aquacultura, dessalinizao, analisadores de gs, geradores a gs e sistemas de distribuio para tratamento de gua. Mais informaes podem ser obtidas em: www.keyinstruments.com

Cientistas da Lucent Technologies do Bell Labs Calculam Limite Terico Para Comunicaes em Fibras pticasNo ano passado os cientistas da Lucent Technologies anunciaram o limite terico para a quantidade de informaes que podem ser transmitidas por uma fibra ptica. Esse limite terico de 100 terabits de informaes, ou aproximadamente 20 bilhes de e-mails e 1 pgina, simultaneamente, por uma nica fibra. Com essa capacidade, a demanda de servios de banda larga tais quais os que envolvem a transmisso de imagem, pode ser atendida sem problemas at que um novo gargalo surja com o aparecimento de alguma nova tecnologia. Para a Robtica lembramos que as fibras pticas so empregadas para interligar sistemas e essa velocidade deve (pelo menos por enquanto) atender as mais altas necessidades de transmisso de informaes que existem. claro que ainda estamos longe do limite, pois os mais rpidos sistemas atuais operam com apenas 2 terabits de informaes por segundo. A dificuldade maior no clculo terico reside no fato de que a velocidade da luz depende muito das propriedades do vidro usado na fabricao das fibras e isso a torna dependente tambm da intensidade do feixe, o que no ocorre no espao livre. Mais informaes podem ser obtidas no site : http:// www.lucent.com

MOSFET Com Sensoriamento de Temperatura - VishayUm novo MOSFET de potncia com recursos de sensoriamento de temperatura foi lanado recentemente pela Siliconix Incorporated (Vishay). Destinado a aplicaes na indstria e na linha automotiva, esse componente oferece a mais baixa resistncia entre todos os MOSFETs protegidos em invlucro DPAK - apenas 7,5 mohms com uma tenso de gate de 10 V. No mesmo invlucro so integrados em oposio dois diodos de poli-silcio. O novo componente, denominado SUB 50N04-07LT tem uma tenso de ruptura de 40 V e pode manusear correntes de at 50 ampres. Alm disso, ele possui uma temperatura mxima de juno de 175 oC.

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NOTCIAS NOTCIASLentes Para Laser de CO2 Software da Motoman Reduz o Tempo de Parada de Manuteno dos RobsCom o objetivo de otimizar em pelo menos 50% o tempo despendido para a manuteno dos seus robs, a Motoman inc. desenvolveu o RobotPro, software que facilita e agiliza a identificao de problemas nos robs e, por conseguinte, as perdas decorrentes da interrupo da produo desses. A Motoman, empresa do grupo Yaskawa, responsvel pela fabricao de robs para inmeras aplicaes como solda a arco, solda a ponto, rebarbao, montagem, corte, manuseio de materiais, paletizao e pintura. A variedade de robs, cada qual com a sua peculiaridade, para atender as mais diferentes funes, faz com que haja, tambm, um RobotPro para cada um. O RobotPro , segundo Icaru Rocco Sakuyoshi, coordenador de robtica da Yaskawa Eltrica do Brasil, ferramenta indispensvel no auxlio manuteno dos Motoma que, alm de otimizar a manuteno, tambm a torna mais precisa, j que prescinde da deteco do problema por tentativa e erro. O software, que custa aproximadamente nove mil reais, est disponvel para controladores ERC, MRC e XRC. Mais informaes no site: www.yaskawa.com.br A Laser Research Optics, de Rhode Island (USA), est disponibilizando uma ampla linha de lentes de ZnSe para uso com laser de CO 2 de fabricantes como a Amada, Cincinnati, Mazak, Mitsubishi e outras. Essas lentes possuem distncias focais de 2,5 a 51 cm, estando disponveis em tamanhos de 15,24 a 50,8 mm de dimetro. As lentes so otimizadas para operao com 10,6 m de comprimento de onda. Essas lentes so indicadas para uso em sistemas de corte, furao, gravao e solda laser. Mais informaes podem ser obtidas no site da empresa em www.laserresearch.net

Catlogo de Instrumentos Para Medidas AmbientaisUm novo catlogo contendo instrumentos da AEMC para medidas de luz, umidade e temperatura est disponvel. Nele, podemos encontrar informaes sobre os principais produtos da empresa, que so alimentados por bateria, possuem mostradores de cristais lquidos, alm de funes impor tantes como MAX e HOLD em todas as unidades. Mais informaes podem ser obtidas no site da empresa em www.aemc.com


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MECNICA

INDUSTRIAL

FUSO DE ESFERAS RECIRCULANTES E GUIAS LINEARESDouglas Ribeiro dos SantosAnteriormente automao, as mquinas convencionais dependiam extremamente da destreza do operador, isso sem levar em conta fatores como sade, estado de esprito, cansao, etc., com reflexos considerveis sobre a quantidade e qualidade da produo, sem falar sobre os altos percentuais de refugo. Com a automao esses incmodos ficaram para trs, a atuao do operador fica agora restrita superviso de uma ou vrias mquinas, sem interferncia direta no processo de produo. Para que essa evoluo chegasse s mquinas operatrizes, muitos estudos e desenvolvimentos foram necessrios, desde elementos de mquinas e tipos de acionamentos at sistemas de controle. Dentre esses desenvolvimentos que chegaram com a automao, relativamente recentes e de grande importncia, esto os fusos de esferas recirculantes e as guias lineares de rolamentos, itens responsveis pelo alto nvel de sofisticao das mquinas operatrizes e que atualmente so amplamente aplicados em projetos na rea da Mecatrnica.permite converter o movimento de rotao em translao e vice-versa, um fuso de esferas um conjunto de acionamento que possui esferas como elementos de giro. Veja os exemplos das figuras 2 e 3. Para se conseguir o movimento contnuo no fuso de esferas, necessrio ter um circuito de recirculao (ou por fora da castanha com pistas de reenvio ou por dentro da castanha com caminho tambm helicoidal) ou atravs de insertos de reposicionamento das esferas.Ver detalhes nas figuras 4 e 5. A figura 6 mostra um tubo de esferas montado numa mquina.

O

fuso de esferas recirculantes substitui o fuso trapezoidal muito utilizado em mquinas operatrizes, responsveis pelo movimento de translao das mesas ou bases, s quais esto presos os porta-ferramentas ou as peas a serem usinadas. O fuso trapezoidal, no caso das mquinas operatrizes, trabalha acoplado a uma porca trapezoidal encaixada mesa que se quer mover, elemento j considerado muito importante, alcanando preciso de 0,01 milmetros (centsimos de milmetros), ou seja, este dispositivo possibilita posicionar ou deslocar determinado equipamento com essa preciso.Veja o fuso trapezide na figura 1. O fuso de esferas recirculantes realiza o mesmo trabalho que o fuso trapezoidal, com inmeras vantagens, a comear pela preciso que de 0,001mm (milsimos de milmetros).Um fuso de esferas um mecanismo que

Vantagens do fuso de esferas sobre o fuso trapezoidal- O grau de rendimento mecnico no fuso trapezoidal no mMECATRNICA ATUAL N 3 - ABRIL/2002

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MECNICA

INDUSTRIAL

Figura 1 - Fuso Trapezoidal - Exemplo n1.

ximo 50%, enquanto no fuso de esferas pode chegar em torno de 98%, conforme indicado no grfico da figura 7. - Durao de vida mais longa, por seu funcionamento sem desgaste. - Menor potncia de acionamento. - Reduo do atrito. - Simplificao construtiva. - Ausncia do efeito Stick-Slip (ficar parado deslizar, efeito muito comum nos fusos tradicionais quando se inverte o sentido de rotao do eixo). - Posicionamento mais preciso. - Maior velocidade de translao. - Menor aquecimento. - Devido ao seu alto grau de rendimento, os fusos de esferas no so autobloqueantes. Os fusos de esferas e as guias lineares de rolamentos, dentre os ele-

mentos de mquinas, talvez representem os mais importantes desenvolvimentos ou evolues, trazendo vantagens impor tantssimas, tal como a reduo de atrito nos movimentos de deslocamento nas mquinas. A diminuio do atrito, alm de tornar o movimento muito mais suave, propiciou considervel economia de energia, fato extremamente im portante para a indstria mundial. Outro fator relevante est na simplificao construtiva destes elementos, j que possuem um carter modular de fabricao, e hoje j existem centenas de mdulos prontos para serem montados em mquinas, para diferentes aplicaes e de vrios tamanhos, facilitando projetos, simplificando montagens, futuras manutenes e garantindo relativa economia.

Os fusos de esferas possuem opes de alta preciso e alguns deles dispem de opes simples e eficientes para controlar ou eliminar a folga entre a castanha (porca) e o fuso (eixo com rosca especial que serve como pista para o rolamento das esferas), ou seja, possvel ajustar a pr-carga, item impossvel de variar no sistema parafuso-porca. importante ressaltar que a folga entre o fuso e a porca compromete gravemente os trabalhos nas mquinas operatrizes ou em qualquer conjunto ou sistema eletromecnico onde se requer movimentos repetitivos e de alta confiabilidade. claro que para aplicao correta deste elemento, devemos conhecer os tipos disponveis no mercado conversando com fabricantes, expondo nossas intenes e escolhendo aquele que mais se adequar s nossas necessidades.

GUIAS LINEARESA partir dos anos 80 os principais fabricantes de mquinas comearam a empregar as guias lineares em lugar dos barramentos tradicionais, pois as elas possuem alta preciso, excelente rigidez e deslocamento mais suaves. As guia lineares possuem as mesmas vantagens sobre os barramentos, que os fusos de esferas recirculantes sobre o fuso convencional. A figura 8 mostra algumas de guias lineares Recomendaes gerais no uso dos fusos e das guias lineares Para melhor aplicao dos fusos de esferas e das guias lineares, necessrio ter em mente alguns parmetros de funcionamento como, por exemplo: - Tipo da carga - Velocidade linear ou rotaes por minuto - Acelerao e desacelerao - Temperatura de trabalho - Vida til requerida - Preciso.11 1 1

Figura 2 - Fuso de esferas recirculantes - Exemplo n 2.


MECNICA

INDUSTRIAL

Figura 7 - Grfico de rendimento mecnico dos fusos.

preciso, no entanto, ter em mente que a durabilidade prevista de um elemento est garantida se observarmos os parmetros especificados pelo fabricante para o dado elemento. Vejamos alguns exemplos:Figura 3 - Fuso de esfera desmontado.

Alinhamento O fuso de esferas e a guia linear de rolamentos devem ser montados em perfeito alinhamento. Deve ser observado o tipo de montagem, se horizontal, vertical, inclinado, e a influncia da carga e das foras que agem sobre a carga em cada tipo de montagem (figuras 9, 10 e 11); os fabricantes fornecem as tolerncias admissveis de desvio para cada componente, conforme tipo, tamanho, aplicao,etc. preciso conhecer as tolerncias admissveis na aplicao destes

Figura 4 - Circuito de recirculao. Figura 6 - Exemplo n 3 (em mquina).

Figura 5 - Caminho helicoidal.

A vida nominal de um fuso de esferas ou das guias lineares de rolamentos dada pelo nmero de revolues, ou seja, pelo nmero de operaes ou ciclos por hora para uma dada velocidade constante. Este nmero representa o quanto o elemento suporta trabalhar sem que12

apresente algum sinal de fadiga (geralmente os sinais de fadiga aparecem sobre alguma pista de rolagem, atravs de escamas ou lascas), da mesma forma como acontece nos rolamentos que suportam determinadas (milhares) horas de trabalho, se aplicados corretamente. Devemos lembrar que a vida nominal de um dado elemento, fornecida em catlogos de fabricantes ou pelos projetistas, um nmero para nos basearmos, no significa que um elemento de 5236 horas ir parar ou apresentar algum sinal de fadiga s quando completar as 5236 horas, ou que depois de 5236 horas o elemento no atenda mais por algumas horas.

Figura 8 - Algumas guias lineares.


MECNICAelementos. Para aqueles que desejam se aprofundar no estudo destes componentes indispensvel conhecer as tolerncias de forma e posio (sistema de cotagem que indica a preciso de paralelismo, planicidade, circularidade,perpendicularidade, entre vrias outras variveis que dizem respeito tolerncia de posicionamento e formato geomtrico de um componente ou entre as peas do conjunto montado) para efetuar ou supervisionar uma perfeita montagem destes componentes, vide figura 12. Sentido de aplicao e grandeza da fora (carga) O fuso de esferas deve receber apenas cargas axiais, no radiais, j as guias lineares permitem a ao de foras e momentos de direes diferentes, no entanto, todas as cargas precisam ser consideradas na hora da seleo do componente.Figura 10 - Posio inclinada de montagem.

INDUSTRIALLubrificao Boa lubrificao garante o bom funcionamento do elemento, preserva o as superfcies de contato e sua durao (vida til). essencial utilizar o lubrificante recomendado pelo fabricante, deve-se observar a periodicidade de troca do lubrificante. Tambm bom saber que alguns fabricantes protegem seus componentes com substncias que impedem que os mesmos sofram corroso, no sendo substncias lubrificantes para serem usados durante a operao do equipamento, devendo ser eliminadas quando da montagem do elemento. A lubrificao um importante item a ser lembrado quando da operao destes elementos de mquinas. A falta ou o excesso de lubrificante prejudica o bom funcionamento do elemento e reduz sua vida til, sempre importante usar o lubrificante recomendado pelo fabricante, uma vez que misturas de lubrificantes diferentes podem resultar em uma terceira substncia com propriedade agressiva ao elemento. Temperatura A temperatura de trabalho outro dado importante na hora da seleo e aplicao do elemento. Existe hoje a necessidade de aplicao do mesmo tipo de equipamento, tanto em laboratrios na rea mdica (reas relativamente frias) quanto em indstrias de tratamento trmico, ou seja, indstrias quentes. Portanto, devemos especificar componentes que atendam as faixas de temperatura reais a que vo ser submetidos. Incio de operao

Figura 9 - Posio horizontal de montagem.

Montagem das guias lineares A superfcie de apoio das guias deve ser limpa, no contendo rebarbas, finas camadas de limrias de ferro, corpos estranhos ou coisas do tipo. Deve tambm possuir um acabamento polido e recoberta com um fina camada de leo de baixa viscosidade. O encaixe dos parafusos deve ser perfeito, ou seja, no pode ser feita uma montagem forada, pois isso comprometeria o alinhamento, impossibilitando o bom funcionamento das guias. Velocidade Cada elemento deve trabalhar dentro da velocidade para a qual foi projetado. Se a velocidade uma grandeza varivel no projeto,

Figura 11 - Guias lineares sujeitas a cargas diversas.

deve-se especificar isso quando da especificao de compra ou contato com fabricante, para que o mesmo oriente diferentes tipos de elementos com diferentes materiais de fabricao.

Depois de montados estes elementos estaro limpos e lubrificados. Antes de colocar o equipamento a plena carga, aconselhvel que se11 3 3


MECNICA

INDUSTRIALlocidade, acelerao, entre outras. Isso se faz necessrio para que se possa calcular a carga dinmica equivalente, definida como uma carga hipottica, constante em magnitude e direo, de ao axial e centrada sobre o fuso. uma carga que, se aplicada, produziria o mesmo efeito em termos de vida til que as cargas atuais produzem. Classificao pela capacidade de carga esttica Se um elemento supor ta uma carga limite em estado esttico de movimento, uma defor mao local e permanente poder ocorrer nas esferas e na rgua (guias lineares) ou na superfcie da rosca (fuso de esferas). Quando a deformao excessiva, o movimento pode no ser suave, quando as esferas esto em contato num esforo mximo. A capacidade de carga esttica nominal se define como uma carga constante unidirecional que produz deformaes permanentes, cuja soma das deformaes nas esferas e na superfcie de rolagem (rgua ou no fuso), equivalem a 0,0001 vezes o dimetro da esfera. Velocidade limite permissvel para os fusos de esferas A velocidade limite permissvel para um fuso de esferas aquela que ele no pode exceder por no poder desenvolv-la em algum momento com segurana, que dada

Figura 12 - Tolerncias admissveis em funo do componente.

faam vrias operaes em baixa velocidade e carga, desta forma possvel checar a caracterstica de reversibilidade do elemento, a preciso de posicionamento e verificar se o mesmo funciona como esperado.

acabamento ou qualquer outra varivel que se fizer necessria. Classificao segundo a carga dinmica Este tipo de avaliao usado para estimar a vida do componente at sua fadiga, baseado em uma carga axial constante em magnitude e direo. Carga dinmica equivalente As aes das cargas em um fuso de esferas e nas guias lineares podem ser calculadas de acordo com as leis da Mecnica, se as foras forem conhecidas, ou seja, foras de inrcia, potncia de transmisso, rotao, ve-

RECOMENDAES PARA SELEOAqui, estaremos abordando apenas parmetros bsicos para seleo destes elementos, pois a gama de aplicao muito vasta, devendo o projetista, no momento da especificao, entrar em contato com os fornecedores de sua preferncia e especificar as condies de trabalho do componente: comprimento, largura, parmetros crticos, cargas, momentos que sero aplicados (no caso das guias), velocidade, acelerao e desacelerao, vida requerida ou esperada, preciso,

Figura 13 - Ajuste de pr-carga.

Tabela 1 - Valores de referncia para o fator esttico de segurana ( fs).

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MECNICAgeralmente pela velocidade limite do sistema de recirculao (esferas dentro da castanha). expressa em RPM (rotaes por minuto) para cada dimetro de fuso especifico. As velocidades mximas indicadas nos catlogos dos fabricantes devem ser aplicadas por curtos perodos de tempo, no como velocidades de operao. Altas velocidades associadas com cargas elevadas requerem extensas faixas de torque e resultam numa relativa reduo da vida nominal do componente. Eficincia e capacidade de reproduo dos movimentos O desempenho de um fuso de esferas depende principalmente da geometria de contato das superfcies e de seu acabamento, como tambm do ngulo de hlice da rosca. lgico que as condies de trabalho (carga, lubrificao, prcarga, alinhamento, etc.) tambm influenciam sobre o desempenho do componente. Jogo axial e pr-carga Castanhas pr-carregadas esto sujeitas a muito menos deformao elstica que as castanhas no carregadas. Entretanto, a prcarga dever ser usada quando a preciso de posicionamento for muito importante. Pr-carga aquela fora aplicada castanha, atravs de parafusos, no sentido de faz-la se fechar mais, eliminando as folgas axiais, diminuindo o espao e incrementando maior rigidez ao conjunto (castanhas, esferas e fuso), tornando o movimento mais seguro (figura 13). Carga P = 800 (kgf) Curso ls = 1,2 (m) Reciprocidade n = 4 (freq/min) Tempo de vida til estimado = 8.000 horas (h) Para determinar a carga por bloco, como temos quatro blocos, ento, a carga seria:

INDUSTRIAL

Tabela 2 - Fator de contato.

Seleo pela capacidade de carga esttica Vide classificao de capacidade de carga esttica.

dos na mesma rgua, o valor de fc ser 0,81. Fator de contato (fc) difcil de se obter uma distribuio de carga uniforme, quando dois ou mais blocos so usados em uma aplicao. Isso se deve a irregularidades de superfcie, aplicao de foras e momentos, ou outros fatores. A carga dinmica (C) e estacionria (Co) devem ser multiplicadas pelo fator de contato, vide tabela 2. Fator de carga (fs) Vibraes e impactos conjugados com velocidade no podem ser calculados com preciso. Vide abaixo a tabela 3 obtida atravs de experincias. A - Seleo em funo do valor esttico de segurana

fs = fator esttico de segurana Co = capacidade de carga esttica nominal Po = carga de impactoNa tabela 1, so mostrados os valores de referncia para o fator esttico de segurana (fs): Caso em estudo: figura 7 com l2 e l3 = 0.

Po= 800/4 = 200(kgf)Como dois carros sero monta-

Supondo que o valor de fs seja igual a 5. Supondo que o valor de fw seja igual a 2.

EXEMPLO DE SELEO DE UMA GUIA LINEARH duas maneiras de selecionar uma guia linear: uma depende do valor do fator esttico de segurana e a outra depende da vida til necessria. Normalmente, a ltima a preferida.MECATRNICA ATUAL N 3 - ABRIL/2002

Tabela 3 - Fator de carga.

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MECNICA

INDUSTRIAL

Agora s selecionar em um fornecedor uma guia linear que atenda a condio de .

B - Seleo em funo da vida tilQuando utilizamos guias lineares, devemos levar em conta todos os fatores decorrentes da aplicao da carga, pois as guias esto sujeitas a vibraes e impactos imprevisveis quando em operao. Tambm devemos considerar a temperatura de trabalho e dureza da guia linear conforme os grficos das figuras 14 e 15. usual selecionar uma dureza de HRC 58 a 62 para as guias lineares. Observamos tambm que acima de 100C de temperatura de trabalho, segundo o grfico devemos aplicar o fator fT . Para se calcular a vida til de uma guia linear, multiplicamos o nmero de horas estimadas pela distncia percorrida por hora, com isso obtemos a distncia total a ser percorrida pela guia. A frmula mostrada a seguir inclui todos estes fatores descritos acima :

Figura 14 - Grfico de temperatura.

C Vida til das Guias Lineares Testes realizados com um grupo de guias lineares idnticas e nas mesmas condies de trabalho comprovaram que 90% delas no apresentaram sinais de fadiga. Calculamos pela frmula:

Figura 15 - Grfico de dureza.

Na verdade as aplicaes so inmeras, basta haver uma necessidade e conhecer os principais tipos disponveis no mercado. Entre as principais diferenas construtivas de fabricante para fabricante podemos citar: ngulo de hlice, tipo de arco ou raio por onde rolam as esferas. Citamos aqui alguns fabricantes de fcil consulta, via Internet: www.obr.com.br www.skf.com.br www.thk.com.br www.nsk.com.br www.boschrexroth.de

Onde : Lh= hora de vida til(hr) L = vida til (Km) ls = curso (m) n = ciclo por minuto Temos tambm que:

Onde: C= carga dinmica bsica (kgf) Pc = carga (kgf).

CONCLUSOComo vimos, os fusos de esferas e as guias lineares so elementos de mquina importantssimos hoje em dia, e suas vantagens so inmeras sobre os fusos normais e os barramentos tradicionais. Abordamos tambm alguns fatores relevantes que devemos ter em mente quando pensarmos na aplicao desses componentes, e apresentamos alguns conceitos de dimensionamento ligados aos equipamentos e, finalmente, um roteiro de clculo simples. Todavia, quando for preciso aplicar estes componentes, necessrio expor todas as caractersticas do projeto ao fornecedor para uma melhor seleo. l

FABRICANTESDentre os fabricantes de fusos de esferas recirculantes e guias lineares de rolamentos, esto os principais fabricantes de rolamentos e empresas especializadas na transmisso de movimento. So muitos os usurios destes importantes elementos de mquina. Alm da Automao Industrial, podemos destacar fabricantes de mquinas e ferramentas, Robtica, centros de usinagem, reas de instrumentos mdicos, setor aeroespacial, entre outros.

Agora s selecionar em um fornecedor uma guia linear que atenda a condio de .16


AUTOMAO

Juliano Matias

Como controlar, por exemplo, a velocidade de um motor para que em regime de operao ele fornea sempre uma determinada rotao, independentemente da carga a ele acoplado? Ou, como podemos garantir que em um processo a temperatura de um material esteja independente de fatores externos a 250C ? Vamos abordar, neste artigo, um tema amplamente utilizado em todas as reas onde precisamos de um controle realmente preciso de uma determinada grandeza fsica, o controle PID.Existem basicamente dois tipos de natureza de controle: os auto-operados e os operados por alguma energia externa. Entre os auto-operados podemos citar o mais conhecido entre eles, o controle de nvel por bia, esse que existe em qualquer caixa d gua de nossas residncias (figura 1). Seu princpio de funcionamento muito simples: quando o nvel do reservatrio est baixo a bia no est acionada, fazendo com isso que o fluxo de gua passe pela tubulao. Ento, o nvel de gua vai subindo at que esta aciona a bia cortando o fluxo de gua. Eis uma forma clssica de controle de nvel empregada desde a antigidade at os dias de hoje. J os controladores baseados em energia externa podem ser dos tipos: Controlador pneumtico; Controlador hidrulico; Controlador eltrico ou eletrnico.

Figura 1 - Controle de nvel por bia.

Resumindo o funcionamento deles, temos que uma grandeza precisa ser controlada (temperatura, nvel, presso, vazo, pH, velocidade, posio,...). Para manter essa grandeza sob controle precisamos de algumas informaes:


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AUTOMAOo valor de correo na sada do controlador para que o valor do processo (PV) se aproxime do valor desejado (SP), conforme ilustra a figura 2. Existem alguns algoritmos de controle que veremos com maiores detalhes, os quais podem operar individualmente ou trabalhar em conjunto, conforme a preciso esperada do controle e tambm conforme o processo: Controle ON-OFF; Controle com ao proporcional (P); Controle com ao integral (I); Controle com ao derivativa (D). CONTROLE ON-OFF tambm conhecido com o o controle de duas posies, ou controle liga e desliga. O sinal de sada tem Figura 3 - Controlador ON-OFF. apenas duas posies que vo de um extremo ao outro, podendo ser: vlvula aberta ou vlvula fechada, resistncia ligada ou resistncia desligada, compressor ligado ou compressor desligado. Analisemos pela figura 3 um controlador ON-OFF. Neste exemplo temos um ambiente com temperatura controlada: o valor desejado de temperatura dado pelo SP, o valor atual de temperatura (PV) medido por um sensor de temperatura (por exemplo, um termopar), a funo do controlador a de chavear a resistncia tendo como parmetro o valor de temperatura forneFigura 4 - Detalhamento do chaveamento de R pelo controlador ON-OFF. cido pelo sensor de modo que mantenha a temperatura no valor determinado pelo SP dentro do ambiente. Veja Valor desejado Set-Point (SP); mos agora, na figura 4, que no instante 1 a tempera Valor real ou valor do processo (PV); tura tende a ficar abaixo do SP, nesse instante a re Algoritmo de controle. sistncia R ligada atravs do rel K1 com a funo Com base nessas informaes, o controlador comde elevar a temperatura at o valor do SP, porm, para o valor desejado (SP) com o valor do processo devido caracterstica do processo a temperatura (PV) e determina, com base no algoritmo de controle,

Figura 2 - Comparao entre o SP (valor desejado) e o PV (valor do processo).

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AUTOMAOcontinua em queda durante algum tempo, antes de manifestar tendncia ascendente. O uso do controle ONOFF ideal em aplicaes onde a varivel a ser controlada possui um tempo de resposta lento. Alguns exemplos de controle ON-OFF: Estufas; Ar-condicionado; Ferro de passar roupa; Refrigerao de motores a combusto, entre outros. CONTROLE PROPORCIONAL (P)Figura 5 - Ao de um controle proporcional.

Em processos que requerem um controle mais suave que aquele fornecido pelo controlador ON-OFF, pode ser empregado o controle proporcional (P). O controle proporcional fornece uma relao linear fixa entre o valor da varivel controlada e o valor que o atuador de controle pode fornecer. Para ilustrar a ao de Figura 6 - Diagrama eletrnico de um controle proporcional. um controle proporcional, verifiquemos a figura 5. Este Com isso temos que a faixa de valores de 300C, um processo em que a temperatura de operao pode porm, esse nmero expressa uma porcentagem da variar de 50C a 550C. O elemento controlador tem faixa total de excurso da temperatura, que de 500C um raio de ao que fornece ao processo uma faixa (50C at 550C), portanto temos de temperatura que vai de que a faixa proporcional expressa 150C a 450C. O ponto cen300C/500C, ou 60% de todo o tral 300C com uma faixa alcance da escala. de controle de 150C. QuanOutra maneira de explicarmos do a temperatura est em o comportamento desse contro150C ou menos, o elemento lador atravs do seu Ganho, que controlador todo aber to. a relao entre a porcentagem Quando a temperatura est de variao do elemento entre 150C e 450C, o elecontrolador pela variao propormento controlador movimencional da grandeza. Assim temos: ta-se para uma posio que proporcional ao valor da Ganho = (% de variao do elegrandeza controlada. A 225C mento controlador) / (% de variao elemento controlador est o da grandeza controlada) 75% aberto, a 300C est 50% aberto, a 375C est No nosso exemplo, o ganho 25% aber to e a 450C ou seria de: (100% no elemento mais o elemento controlador controlador) / (60% de variao na est 0% aberto, isto , comFigura 7 - Ilustrao do off-set. grandeza) = 1,66. pletamente fechado.


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AUTOMAOcuito tente corrigir esse distrbio alterando a tenso de sada que est acionando o motor; A alterao proporcional ao erro e dada pelo ganho do circuito amplificador (R 1/R2). Porm, quando o circuito se estabiliza ele no se estabiliza no set-point (SP), e sim em um valor fora dele que chamado de off-set (figura 7). Esse erro uma caracterstica do circuito proporcional e maior quanto menor for o ganho do circuito, tornando-se menor medida que aumentamos o ganho. Em contrapartida, quando aumentamos o ganho aumenta-se tambm a possibilidade de oscilaes na varivel do processo, portanto, esse um parmetro que deve ser muito bem otimizado no controlador. Para a correo desse offset existem em alguns controladores industriais um reajuste manual que soma ou subtrai do valor de sada um valor correspondente eliminao do off-set (no nosso exemplo da figura 6 o ajuste manual soma ou subtrai tenso). CONTROLE INTEGRAL (I) Quando se tem um sistema onde utilizamos um controlador proporcional, nas alteraes da carga o reajuste do off-set deve ser feito de forCircuito integrador. ma automtica, e no manualmente como citado acima. Integrando-se o valor do erro no tempo obtemos esse reajuste; na prtica o controle integral utilizado em conjunto com o controle proporcional formando o controle proporcional - integral, o PI, conforme mostram os grficos da figura 8. Podemos entender mais claramente visualizando um circuito eletrnico onde foi implementada uma ao proporcional com a ao integral. Observe as figuras 9 e 10.

Figura 8 - Grfico de um controle proporcional-integral (PI).

Podemos dizer ento, que: Faixa proporcional = (100/Ganho) Pensando eletronicamente, podemos visualizar um Controle Proporcional na figura 6, onde temos um circuito subtrator com Amplificadores Operacionais, no qual, calculamos primeiramente o erro entre o SP e o PV, e depois vem um amplificador onde amplificamos o erro para corrigir o valor PV alterado pelo proFigura 9 cesso. Nessa mesma figura podemos imaginar a seguinte situao: temos que controlar a velocidade de um motor e partiremos do princpio de que o motor est rodando na velocidade determinada pelo SP. Uma alterao na carga do motor implicar em uma variao da rotao e, conseqentemente, em uma variao do valor do PV que, por exemplo, est sendo gerado por um tacogerador; Essa variao implicar em uma alterao de tenso na sada do subtrator, fazendo com que o cir-

-

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AUTOMAOCONTROLE DERIVATIVO (D) eles so muito complicados, nem sempre esto disponveis, e demandam um tempo muito grande de anlise e, portanto, no so utilizados na prtica. Existem mtodos mais simples de regulagem de um controlador, principalmente utilizando grficos de resposta de variveis do processo.

O ajuste derivativo aplica ao sistema uma correo proporcional velocidade com que o desvio aumenta. A ao derivativa associada com a ao proporcional (PD) resulta em uma correo antecipada a um desvio que ainda no aconteceu, podemos chamar tambm de supercorreo, conforme ilustram os grficos da figura 11. Aps a grande correo inicial, o controlador comea a diminuir os seus efeitos deixando que as respostas proporcionais (com ou sem ao integral em conjunto) posicionem o elemento de controle final. Podemos verificar nas figuras 12 e 13 uma combinao das aes proporcional e derivativa utilizando amFigura plificadores operacionais. CONTROLE PROPORCIONAL INTEGRAL E DERIVATIVO (PID) Processos onde o tempo morto elevado (da ordem de 2 minutos) e/ou retardos de processo so difceis de controlar utilizando controles proporcionais com ao integral ou proporcionais com ao derivativa. Processos que tenham a faixa proporcional a ser posicionada extremamente ampla e onde o tempo de reajuste bastante grande a fim de se evitar oscilaes. O controle PID resolve esse problema. Podemos verificar um controle PID em sua forma eletrnica na figura 14. OTIMIZAO DE CONTROLADORES PID As condies de controle de um sistema PID podem ser estudadas utilizando algoritmos de controle integrais e diferenciais, porm,

10 - Circuito eletrnico de um controle PI.

Figura 11 - Grfico de um controle derivativo (D).


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AUTOMAOdo perodo crtico (Pu). Para isso, deve-se seguir alguns passos: Tira-se a ao integral e a ao derivativa do controlador, deixando apenas a ao proporcional; Mantm-se o controlador em modo automtico em malha fechada; Ajusta-se o ganho do controlador em um nvel baixo a fim de se evitar oscilaes no sistema; Aumenta-se o ganho, passo a passo, at que a oscilao fique constante em amplitude e perodo, como ilustrado na figura 16; Com base no ganho crtico e no perodo crtico os ajustes do controlador so calculados para um ajuste ideal do controlador. Ziegler e Nichols observaram que em um controlador proporcional o ganho ideal a metade do ganho crtico, isto , Ganho = Gu/2 e, com esse ganho obtemos aproximadamente uma razo de caimento de . Atravs de testes, Ziegler e Nichols descobriram que as equaes mostradas na tabela 1 fornecem bons valores de ajustes para controladores PID. Deve ser observado que as equaes so muito genricas e existem vrias excees. CONCLUSO Cada tipo de controlador aplicvel a processos que tm certas combinaes de caractersticas bsicas. Ao se escolher um tipo de controlador, deve-se escolher um que atenda as necessidades de uma forma mais simples, sendo assim mais econmicas, por exemplo, a utilizao de um controlador PID onde poderia muito bem ser utilizado um controle ON-OFF. A FBULA DO REGULADOR PID E DA CAIXA DGUA Achei a estria to interessante que decidi incorpor -la ao artigo. Trata-se de uma fbula contada pela primeira vez aos professores da Universidade Tcnica de Bruxelas.

Tabela 1 - Equaes de ajuste para controladores PID.

Em uma malha de controle o objetivo alcanar a estabilidade no menor tempo possvel. Um controlador bem ajustado aquele que tem um caimento de , como mostra a figura 15. Mtodo de otimizao Ziegler-Nichols O mtodo de ajuste de controladores em malhas fechadas, mais conhecido e utilizado at hoje, foi desenvolvido em 1942 por J.G. Ziegler e N.B.Nichols, quando trabalhavam na empresa americana Taylor Instrument Company, da cidade de Rochester, Nova Iorque. Esse mtodo, apesar de ser o mais antigo, ainda o mais utilizado por instrumentistas e profissionais da rea de controle de processos. O mtodo consiste em determinar um ganho chamado de ganho crtico (Gu) e um perodo chama-

Figura 12 - Circuito diferencial ou derivativo.

Figura 13 - Circuito combinando aes proporcional e derivativa.

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AUTOMAOEnfim, foi empregado um velho sem quaisquer conhecimentos tcnicos. Apesar disso, executou o seu servio durante muitos anos, limitando-se a manter o nvel dgua na caixa to constante como podia, alterando a vazo sempre que necessrio. Quando o velho alcanou a idade da aposentadoria, os seus trs filhos de nomes Isidoro, Pedro e Demtrio ofereceramse para substituir o pai. Cada um queria resolver a tarefa da maneira mais simples possvel. Discutiram as possibilidades de instalar uma vlvula acionada por bia. Ou de um ventil eletropneumtico, ou de um regulador hidrulico, etc... Certo dia, em meio a essas discusses, apareceu um primo de visita casa. Sendo esse, engenheiro, pediramlhe a sua opinio quanto s idias em discusso. O primo pensou e, ao invs de apontar uma das alternativas como a melhor, perguntou qual a caracterstica de funo que possuam os reguladores por eles idealizados. Ficando os trs irmos um pouco desapontados, pois esperavam uma resposta mais concreta, o primo explicou: mais de um tipo de regulador poder servir para solucionar o caso, desde que sua funo obedea as seguintes caractersticas principais: 1) Dando-se uma variao do valor desejado, o regulador dever elimin-la rpida e energicamente, restabelecendo o ajuste com exatido. 2) Ter que alcanar esse ajuste sem provocao de oscilaes no valor desejado, no influenciando assim outros valores que

Figura 14 - Controle proporcional, integral e derivativo.

Era uma vez uma pequena cidade que no tinha gua encanada. Mas, um belo dia, o prefeito mandou construir uma caixa dgua na serra e ligou-a a uma rede de distribuio. A ligao da caixa com o rio foi feita por meio de uma tubulao. Nessa tubulao colocou-se uma vlvula para restringir ou aumentar a vazo. Faltava somente uma pessoa para acionar a vlvula.

Figura 15 - Controlador com caimento de 1/4.

Figura 16 - Grficos pelo mtodo de otimizao Ziegler-Nichols.


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AUTOMAOdependam de qual est sendo regulado. (Ex: do nvel de gua depende a presso na rede de distribuio). Assim, no comeo do dia, Isidoro, o filho mais velho, encontra-se no lugar do pai. um rapaz simples, mas metdico. Quando nota que o nvel dgua est 10 cm abaixo do nvel desejado, pensa que o consumo aumentar. Por isso comea a abrir a vlvula lentamente de maneira contnua, constatando ao mesmo tempo que, pouco a pouco, o nvel abaixa mais devagar, depois se estabiliza e, enfim, comea a subir. No entanto, Isidoro abre a vlvula ainda mais at que alcance o nvel anterior. Pouco depois, Isidoro percebe que a gua continua a subir, estando j acima do nvel desejado. Por isso, s com a metade da velocidade Isidoro comea a fechar a vlvula, restabelecendo pouco a pouco o nvel exato. Mas, a gua continua baixando. Assim, Isidoro v-se forado a repetir a sua manobra ainda algumas vezes sem que a gua se mantenha no nvel desejado. Isidoro a prpria imagem integral de controle, cuja velocidade de ao proporcional ao desvio. Isidoro acionar a vlvula enquanto este existir, sem nunca alcanar estabilidade por ter a zona de regulagem tambm comportamento integral. Em termos matemticos pode-se dizer que para um desvio X do valor regulado, a ao integral uma manobra do rgo de controle, que pode ser representada pela frmula: Ao fim do dia, Demtrio toma conta do servio. Demtrio o mais sofisticado dos trs irmos. No se preocupa somente com o valor do desvio, mas tambm com a velocidade com a qual este se altera. Caso a gua desa rapidamente 10 cm abaixo do nvel desejado, Demtrio d de uma s vez 10 voltas no volante da vlvula em sentido de abertura. Vendo depois que a gua sobe devagar, fecha tambm devagar a vlvula, e mais devagar quanto menor for a velocidade de aumento de nvel, at chegar progressivamente abertura inicial. Caso a gua ultrapasse o nvel desejado por 5 cm, Demtrio executa a mesma manobra de antes, porm em sentido contrrio e, alm disso, 50% menos acentuado. Demtrio a prpria imagem da ao diferencial, cujo valor diretamente proporcional ao grau do desvio e inversamente proporcional durao deste, podendo ser representada pela frmula:

=

Ao meio dia, Pedro substitui seu irmo Isidoro. Pedro possui o costume de calcular tudo que faz. Ele percebe logo que, quando o nvel dgua se encontra 10 cm abaixo do nvel desejado, deve dar 5 voltas ao volante da vlvula no sentido de abertura para eliminar o desvio. Por outro lado, Pedro no se preocupa muito em voltar ao nvel original, contentando-se em estabilizar o mesmo. Pensa consigo que este voltar marca certa assim que diminuir o consumo na aldeia. Pedro descansa at constatar que o nvel efetivo encontra-se 5 cm acima do desejado. Conforme seu clculo, Pedro aciona o volante da vlvula 2,5 voltas em sentido de fechamento, estabilizando assim o nvel novamente. Sua manobra segura e rpida. Mas, quanto exatido, Pedro diz que somente preciso conservar aproximadamente a presso dgua para satisfazer as necessidades da sua cidade. Pedro a prpria imagem da ao de controle proporcional, que pode ser representada pela frmula:

=

O prefeito encontrou-se diante uma deciso difcil. A qual dos candidatos deveria dar o emprego definitivo? Isidoro, a imagem do comportamento integral, demorou bastante tempo para restituir o nvel desejado na caixa dgua. Verdade que ele acertou todas as vezes o nvel exato. Seu mtodo, porm, resultou numa instabilidade absoluta, porque, devido sua atividade contnua, diversas vezes o nvel oscilou fortemente. Seu nico recurso contra esse inconveniente foi acionar a vlvula lentamente. Mas, na proporo que a manobra era lentamente executada, aumentou-se o tempo que a populao deveria esperar at receber gua mesmo nos bairros mais elevados. Pedro, a imagem do comportamento proporcional obteve um resultado diametralmente oposto. Seu mtodo no resultou em oscilaes do nvel nem em desvios considerveis. Mas tambm no foi capaz de assegurar o nvel exato. Demtrio, a imagem do comportamento diferencial, trabalhou com energia exagerada demais. Abrindo ou fechando abruptamente a vlvula, deu praticamente uma chicotada na vazo. Por causa dessa atitude brusca, provocava fortes variaes de presso na rede, no conseguindo tambm estabelecer o nvel exato. Assim, apesar de todos seus esforos, os habitantes da cidade acharam o seu servio o menos satisfatrio. Diante desses resultados o prefeito decidiu combinar o trabalho dos trs candidatos para verificar o efeito. Para esse fim mandou colocar dois tubos de ligao a mais entre o rio e a caixa dgua. Demtrio, porm, encontrava-se impedido, assim que Pedro e Isidoro trabalharam em conjunto, mano-

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AUTOMAOserve apenas para restabelecer mais rapidamente o nvel exato. Ele confia mais na sua estimativa do que na marca de nvel, e como Pedro, ele no l o desvio residual aps a sua manobra. Pedro parou a queda por uma ao medida e imediata. Demtrio acrescentou uma manobra enrgica, mas espordica, que exagera a ao momentaneamente, acelera o restabelecimento e diminui o desvio. Mesmo assim, o nvel prescrito no est ainda exatamente restabelecido. A ao PROPORCIONAL-DIFERENCIAL caracterizada por uma estabilizao imediata no momento em que o desvio acontece. Um exagero da ao para obter uma absoro rpida do desvio, mas tambm, infelizmente, uma certa impreciso final do resultado. No dia seguinte, finalmente, os trs trabalham juntos e cada um ao seu modo. Para uma queda de 10 cm, Pedro abre 5 voltas, Demtrio exagera a ao (diferencial) at 10 voltas, para depois cancelar a manobra num tempo que em funo da inrcia do aumento de nvel. Isidoro, como de costume, no tem pressa, abre a vlvula devagar (integraliza), at o momento em que ele constata que o nvel prescrito atingido, mas desta vez, a sua manobra bem menor, porque antes dele, os seus irmos j fizeram o principal. Pedro efetuou a compensao da perturbao. Demtrio, o exagero que elimina energicamente o desvio. Isidoro determina a preciso final da operao. Ele tomou cuidado para que nenhum desvio residual subsista. A ao PROPORCIONAL DIFERENCIAL - INTEGRAL a combinao perfeita que rene: A compensao imediata da perturbao proporcional; O exagero necessrio para combater a inrcia de mudana de nvel (diferencial); A volta exata ao valor prescrito (integral). Em recompensa pela eficincia, a prefeitura contrata os trs como encarregados do chafariz para contento geral da aldeia, a no ser um nico habitante... O Tesoureiro municipal, que pensa: Eu devo agora pagar trs encarregados em vez de um. Vou ter que aumentar o preo da gua. l

brando cada um em uma vlvula diferente de acordo com o seu prprio mtodo. Quando o nvel d gua encontra-se 10 cm abaixo do nvel desejado, Pedro abre a vlvula, dando cinco voltas ao volante, acabando assim com a queda dgua. Isidoro, por sua parte, executa o seu trabalho lentamente e continuamente at reconduzir o nvel dgua ao valor desejado. Desta vez ele no precisa preocupar-se com a variao de consumo na cidade. suficiente que ele corrija a inexatido do servio de Pedro. Assim, sua manobra restrita e no provoca mais, por aberturas exageradas da vlvula, a instabilidade do nvel. O mtodo conjunto de Pedro e Isidoro a prpria imagem da ao proporcional-integral, caracterizada pela estabilizao instantnea do nvel desejado e por uma excelente exatido graas ao integrao de Isidoro. No dia seguinte Isidoro que se encontra impedido, Pedro e Demtrio vo trabalhar. Desvio de nvel de 10 cm abaixo. Pedro, como sempre, estabiliza imediatamente por uma ao proporcional (abertura de 5 voltas). Demtrio abre sua vlvula de 10 voltas de uma vez (ao diferencial), exagerando a alimentao, prev a inrcia da subida e fecham as dez voltas num tempo proporcional inrcia estimada por ele. Ele sabe que Pedro j fez o trabalho principal e que a sua prpria chicotada


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ESPECIAL

TESTE DE ESTANQUEIDADEVicente Della VolpeNesta edio vamos abordar o Teste de Estanqueidade ou Teste de Vazamento como tambm conhecido, que tem enorme importncia no processo de controle de qualidade da indstria moderna, sendo largamente aplicado nos setores automotivo, eletrodomstico, eletroeletrnico, mdico-hospitalar e em outros setores fabricantes de peas e componentes.O QUE UM TESTE DE ESTANQUEIDADE? o processo que verifica a integridade de uma pea ou componente quanto a vazamentos. um passo importante do processo de controle de qualidade. Por conseqncia, tambm um importante indicador na avaliao do seu processo produtivo. O que um vazamento? Por definio, vazamento um fluxo de uma substncia atravs de uma parte estrutural via um orifcio (furo) ou uma trinca. Imagine que voc tenha trs substncias: gua, leo 90, e cera slida. Agora coloque cada substncia dentro de recipientes idnticos, cada um tendo o mesmo tamanho e tipo de furo, digamos 1/128 (aprox. 0,2 mm) como referncia. Perguntamos: Todas as trs substncias vazam? Todas elas tm a mesma taxa de vazamento? Embora a gua e o leo neste exemplo possam vazar com diferentes taxas, a cera slida em princpio no vazar. Por que? O peso molecular de cada substncia diferente e as caractersticas de fluxo (ou viscosidade) no so as mesmas. A gua tem uma menor viscosidade que o leo 90 e, portanto, ir vazar mais rapidamente. Podem passar alguns minutos at vazar completamente a gua, enquanto que o leo 90 pode levar horas, dias ou semanas. O que dizer sobre a cera slida? Por definio (ver acima) ocorre vazamento? A resposta no; entretanto, o recipiente tem um pequeno orifcio que permitiu que a gua e o leo vazassem. Por que testar? Existem vrias razes para testar a estanqueidade: Reduo no custo de montagens de peas; Melhoria na confiabilidade do produto; Melhoria da satisfao do cliente; Proteo do ambiente; Ajuda no controle do processo de fabricao; Etc. Quais so algumas das causas especficas de vazamento? Trincas, furos, porosidade; Solda ou brazagem incompleta, solda fraca, aglomerante/colagem; Assentamento imprprio de componentes, ajustes, apertos ou montagens imprprias, componentes faltantes, vedaes defeituosas; Defeitos de superfcie de acabamento. importante conhecer e entender o que pode causar um vazamento na sua aplicao. Vazamentos podem ocorrer para dentro ou para fora de um recipiente. Vedaes, por exemplo, podem no permitir vazamento em uma direo, mas permiti-lo em outra. Conhecer as causas do vazamento essencial para se obter um bom teste.

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ESPECIALQual Mtodo de Teste ou Tecnologia a ser Utilizada? Decidir sobre o mtodo de teste ou a tecnologia a ser utilizada no uma tarefa simples. Existem muitas consideraes, a mais importante determinar a Especificao de Teste que seja correta para sua aplicao.Tambm importante entender que virtualmente tudo vaza em algum nvel. Pode levar segundos, minutos, horas, dias, semanas, meses, anos, dcadas ou sculos para vazar, mas virtualmente tudo vaza. Na maioria das vezes um produto ir desenvolver uma razovel performance antes de qualquer falha. Algumas consideraes para selecionar a Tecnologia ou Mtodo de Teste, seriam: Quanto vazamento permitido? Qual minha especificao de teste? Qual o valor do investimento? necessrio localizar o vazamento? Qual a produo requerida? De que material feita a pea ou componente? Quais so as condies ambientais (temperatura, contaminao, etc...)? Existe influncia do operador? Esses so alguns itens impor tantes que iro orient-lo na aplicao do teste de estanqueidade da sua pea ou componente. Consideraes na escolha da tecnologia adequada Existem vrias tecnologias para detectar vazamentos, disponveis no mercado. Escolher a tecnologia mais adequada para cada caso depende de anlise de alguns fatores tais como: Especificao do cliente; Taxa de vazamento ou localizao do vazamento; Sensibilidade requerida para detectar a taxa de vazamento; Produo (qual o tempo permitido para o teste para que o mesmo no represente gargalo na sua produo); Material da pea ou componente; Volume e configurao da pea; Estabilidade da pea quanto temperatura; Influncia do operador; Condies ambientais; Contaminao. Principais tecnologias disponveis no mercado. Tanque dgua; Perda de presso; Fluxo de massa; Espectrmetro de massa a vcuo; Espectrmetro de massa a gs hlio; Acstica por ultrassom; Detectores algenos; Detectores por condutividade trmica. Qual a especificao do seu teste de estanqueidade? Determinao de Taxa de Vazamento Taxa de vazamento determinada por: Perda de presso ou um volume de uma substncia fluindo a partir de um orifcio por um perodo de tempo. Ex: Kpa/segundo ou sccm Unidades de presso normalmente utilizadas PSI Pascal MPa inWC atm KPa bar mbr mmHg Unidades volumtricas normalmente utilizadas SCCS (standard centmetros cbicos por segundo). Tipicamente usado para pequenos fluxos (menos que 0,10 sccm). SCCM (standard centmetros cbicos por minuto). Tipicamente usado para mdios fluxos (entre 0,10 sccm e 1.000 sccm). LPM ( Litros por minuto) Tipicamente usado para altos fluxos (acima de 1.000 sccm) Unidades de tempos normalmente utilizadas Segundos, minutos, horas. Converso de Perda de Presso/Tempo em Fluxo. Algumas especificaes so fornecidas como: perda de presso/tempo. Outras so definidas usando fluxo como unidade de medida. A converso simples: LR = (V x Dp x 60) / (T x 14,7) onde: LR = Taxa de vazamento (cc/m); V = Volume do sistema (pea mais pneumticos) a ser testado (cc); DP = Mudana de presso (psi); T = Tempo de teste (segundos); 14,7 = Atmosfera (psi); 60 = converso para minutos. Essa frmula dar o resultado em sccm (centmetros cbicos por minuto). Exemplo: Suponha que se deseje testar uma pea que tem um volume de 1.000 cc. e a especificao admite


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ESPECIALperda de presso mxima de 0,060 psi em 60 segundos. Usando a expresso acima encontraremos que a LR (taxa de vazamento) igual a 4,08 sccm. Um erro comum adaptar perda de presso/tempo para uma famlia de peas. Em casos como esses, usualmente, todas as peas de uma mesma famlia so testadas com a mesma especificao perda de presso/tempo. Ao usar tal mtodo, uma pea de maior volume da mesma famlia, ter um fluxo maior que uma pea de menor volume embora a aplicao possa ser similar ou a mesma. Empregando o mesmo exemplo acima, mas agora testando uma pea similar de maior volume (2.000 cc) da mesma famlia de peas, voc obter um resultado de fluxo de 8 sccm. Como voc pode ver, a especificao de teste para esse exemplo permite o dobro de fluxo em relao ao primeiro exemplo. Ambas as peas, porm, podem estar possivelmente aplicadas para o mesmo tipo de trabalho. Portanto recomendvel converter sua especificao de teste para Taxa de Vazamento Volumtrico/ Tempo em vez de Perda de Presso/ Tempo. Nesta edio vamos nos deter na tecnologia por Perda de Presso/Vcuo, que tem enorme abrangncia nas aplicaes na indstria moderna, e que vem substituindo de forma acentuada os testes em tanque dgua. TECNOLOGIA POR PERDA DE PRESSO Princpio de funcionamento A figura 1 mostra as principais caractersticas e componentes de um equipamento que utiliza esta tecnologia. O princpio bsico se resume em vedar e pressurizar com ar uma pea ou componente, isolal da fonte de ar e medir a mudana de presso durante um certo perodo de tempo. Em sua forma simples, o processo de teste de estanqueidade por perda de presso requer uma fonte de ar limpo e seco, um regulador de presso, vlvulas de preenchimento/exausto, e de isolao, temporizador, e um medidor de presso. Depois de isolar a pea da fonte de ar, um certo perodo de tempo dever ser proporcionado para estabilizar as condies de turbulncia que ocorrem internamente. Aps a estabilizao, medida a perda de presso por unidade de tempo do circuito de teste. A perda de presso medida , ento, comparada taxa de vazamento especificada usando-se um padro de referncia de vazamento. Sensibilidade A sensibilidade de um sistema por perda de presso limitada ao tempo de espera (ciclo de teste), resoluo do medidor, condies do ambiente e condies da pea. Embora a sensibilidade de um instrumento moderno de teste possa exceder 10- sccs, na prtica, em ambiente de produo, na maioria dos casos se situa em 10- sccs.

Figura 1 - Caractersticas e componentes de um equipamento que utiliza a tecnologia por perda de presso.

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ESPECIALAplicaes gerais Especificaes maiores que 10- ccs; Alta produo; Testes do tipo aprovado/reprovado, com resultados quantitativos; Peas de material rgido; Peas menores de material rgido, com taxas de vazamento menores. Alm de amplas aplicaes nos setores automotivos, eletroeletrnicos, mdico-hospitalar e outros diversos setores fabricantes de peas e componentes. Alguns exemplos de aplicaes: Componentes de freios; Componentes do sistema de combustvel; Direo hidrulica; Bombas de gua e leo; Baterias; Radiadores; Componentes do sistema refrigerante; Vlvulas; Bombas; Reservatrios; Catteres; Outros. Custo do equipamento e complexidade Custo baixo a moderado, dependendo da complexidade dos dispositivos de fixao e vedao. Vantagens Equipamento basicamente simples; Proporciona informaes quantitativas de taxa de vazamento para SPC; Excelente para processos de alta produo; Os resultados de teste independem do operador; Alta repetitibilidade para peas pequenas com baixas taxas de vazamentos. Restries No indica local do vazamento; Sensibilidade limitada pelo volume da pea e tempo de teste; Sofre influncia com as mudanas de temperatura da pea e do ambiente; Tempo de teste para peas de grande volume com pequenas taxas de vazamento. Esto disponveis no mercado instrumentos para testes por Perda de Presso, com tecnologia bastante avanada que utiliza transdutores de presso e conversores integrados analgico-digitais de 21 bits que possibilita aos seus instrumentos excelente sensibilidade. Durante o ciclo de teste um microprocessador pode detectar variaes de presso de at 0,0001 psi e calcular a taxa de vazamento (sccm) resultante. Utilizam software multitarefas que permite ao operador o uso do terminal a qualquer momento sem interferir com o teste em andamento. Tipos diferentes de tarefas realizadas pelo software. Operao de teste de estanqueidade, incluindo controle de dispositivos; Display de informaes; Parmetros de tempos, presso, vazamento, contadores; Comunicao serial via computador/impressora; Dados de teste, informaes de calibrao, estabelecimento de parmetros de calibrao e autoteste; Seqncia de calibrao automtica e sistema de autoteste; Configurao do instrumento; Controles, segurana, mtodo de teste, estabelecer transdutor, unidades de medidas. O painel de programao permite estabelecer/mudar/revisar os parmetros de tempo, presso e vazamento, alm de configurao do instrumento e de permitir o estabelecimento de comunicao dos resultados/dados de teste via rede. Conta ainda com recursos de compensao dinmica, para minimizar os efeitos de mudanas de temperatura da pea ou ambiente. Algumas verses de instrumentos so fornecidas com outputs (sinais de sada) programveis para operaes bsicas de controle de dispositivos de fixao e vedao em conexo com o teste de estanqueidade, o que permite simplificar enormemente o projeto do sistema de automao. Esperamos que esta matria tenha sido de seu interesse, e nos colocamos sua disposio para quaisquer esclarecimentos.

EMPRESAS QUE SERVIRAM DE REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS Cincinnati Test Systems Inc. http://www.cincinnati-test.com Representante exclusivo no Brasil e Argentina VDV Comrcio e Representaes Ltda. R. Soldado Arlindo Saldanha, 18 cj.32 07090-151 Guarulhos SP Tel: (0xx) 11 6468 0301 Fax: (0xx) 11 6461 0613 Email: [email protected]


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AUTOMAO AUTOMAO

Alexandre Capelli

Acredito que o exemplo mais nobre da Engenharia de Automao de Sistemas (ou Mecatrnica) a mquina-ferramenta. Esse equipamento um verdadeiro organismo pois, em uma mesma mquina, temos: eletrnica, eletrotcnica, eletropneumtica, eletro-hidrulica, mecnica de preciso e um software residente. Tudo isso deve trabalhar de uma forma harmnica. Ao mesmo tempo, a preciso, fora e repetitibilidade das partes mveis (eixos) atingem nveis muito superiores quando comparadas a qualquer outro sistema. A proposta deste artigo analisar, atravs de conceitos simples e prticos, o princpio de funcionamento dessas incrveis mquinas. E, como de costume, acrescentamos algumas dicas de service que podem ser teis ao tcnico de campo. Boa leitura!

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AUTOMAOO QUE CNC ? O CNC (Comando Numrico Computadorizado ) um computador dedicado ao controle de movimento dos eixos de uma mquina operatriz. O movimento de cada eixo, como veremos mais detalhadamente a seguir, traduzido em grandezas numricas por dispositivos especiais e , ento, processado pelo CNC. Por sua vez, o CNC programado com o formato da pea que deve ser usinada e , atravs de interfaces , comanda os servo-motores para executar os movimentos coordenados (figura 1). e, finalmente, em 1953 ocorreu sua demonstrao prtica. J no final da dcada de 50, os principais fabricantes de avies utilizavam mquinas com comando numrico. A grande preciso de usinagem e alta capacidade produtiva eram (e at hoje so) caractersticas fundamentais para a indstria aeronutica daqueles tempos. No incio da dcada de 60 essas mquinas comearam a se modernizar, e os padres EIA 244 e ASCII j eram utilizados como sistemas de introduo de dados. Com o surgimento dos Circuitos Integrados, as mquinas com CNC puderam ficar mais compactas e versteis. Em 1977, as mquinas com CNC foram equipadas com microprocessadores. Hoje, essas mquinas podem operar com um nmero indefinido de eixos. Os recursos grficos em 3D, e a manuteno via Internet j fazem parte da nossa realidade (figura 2). ESTRUTURA DE UMA MQUINA CNC A figura 3 mostra a estrutura bsica de uma mquina automatizada com CNC . No exemplo, a mquina se refere a um torno , pois possui dois eixos coordenados (X e Z), e um eixo rvore (eixo da placa de fixao da pea a ser usinada). O CNC comunicase com a periferia da mquina atravs do mdulo I/O (input / output), isto , todos os sensores fim-de-curso, rels, contadores e eletrovlvulas, responsveis pelo bom funcionamento da mquina , so ativados (ou lidos) atravs do I/O. Essas informaes so enviadas e processadas pelo CNC . O CNC comanda os servomotores atravs de um drive de potncia : o inversor de freqncia . O inversor j foi estudado na edio anterior da revista "Mecatrnica Atual", portanto, no entraremos em maiores detalhes sobre seu funcionamento. O que importa agora, que ele controla a po-

Figura 1 - CNC Mach9 Romi

BREVE HISTRICO DO CNC As pesquisas para o desenvolvimento do CNC iniciaram-se, durante a Segunda Guerra Mundial. A necessidade de produzir-se peas de preciso e em grandes lotes para a fabricao de avies de guerra uniram esforos de duas entidades: Instituto de Tecnologia de Massachussetts, e a U.S. Air Force (Fora Area dos Estados Unidos). Em 1949 surgiu a primeira mquina equipada com comando numricoMECATRNICA ATUAL N 3 - ABRIL/2002

Figura 2 - Centro de usinagem Discovery 4022. Mquina da fabricao ROMI equipada com CNC.

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AUTOMAOA figura 4 ilustra as disposies dos eixos em um torno. Os servomotores no so visveis nessa figura, porm so eles os responsveis pela movimentao de cada eixo. A figura 5 ilustra como o fuso de esferas transforma o movimento angular (rotativo) do servomotor em um linear para a mesa do torno. Provavelmente, para quem no est acostumado com mquinas automatizadas com CNC, o processo todo pode estar um pouco obscuro. No se espante, at o final deste artigo tudo estar esclarecido. Vamos fazer um resumo: CNC o computador responsvel por todo o funcionamento da mquina. Dentro do CNC est o progra-

Figura 3 - Estrutura de uma mquina com CNC.

tncia (torque + velocidade) do motor atravs de um sinal analgico de comando oriundo do CNC. Esse sinal varia de 0 a 10 Vcc, e a potncia no motor diretamente proporcional ao seu valor. Para os servomotores ligados aos eixos coordenados ( X e Z ), temos um dispositivo que indica a correta posio em que o eixo encontra-se. Esse dispositivo o encoder, que tambm ser analisado nesta edio. O encoder um transdutor ptico, que gera pulsos seriais de referncia. Esses pulsos so contados pelo CNC e, ento, processados como unidade de deslocamento. Por exemplo, um eixo quando se movimenta 1 mm gera 2400 pulsos ao CNC. O CNC no enxerga o deslocamento, mas sim os pulsos. Esse tipo de medida de deslocamento chamada indireta, pois o movimento linear do eixo expressado atravs de um rotativo do encoder. Notem pela figura 3 que apenas os eixos X e Z possuem encoder , visto que o eixo rvore apenas gira . Algumas mquinas que necessitam de altssima preciso de rotao do eixo-rvore utilizam um encoder para esse eixo , com a finalidade de controle de rotao. Essa aplicao no muito comum, porm no rara tambm!32

Figura 4 - Estrutura bsica de um torno.

Figura 5 - Movimento do eixo atravs do fuso de esferas.

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AUTOMAOma correspondente ao formato da pea a ser usinada. Ele comunica-se com todos os sensores atravs do mdulo I/O e com os acionamentos (inversores) dos eixos, atravs dos sinais analgicos de comando. O feed back do movimento feito atravs do encoder. I/O Cada eixo possui uma chave fimde-curso. Alm disso, dispositivos e acessrios especiais (bombas de refrigerao, acionamento de contraponto, etc.) comunicam-se com o CNC atravs do mdulo I/ O. Normalmente , temos um recurso no CNC, que permite visualizarmos o status de cada endereo do I/O na tela da mquina. Caso uma vlvula no obedea a um comando, por exemplo, podemos entrar na tela de status e verificar se o defeito devido ausncia de comando do CNC, ou se a prpria vlvula est com defeito. ao CNC e evitar cabos longos entre o teclado alfanumrico e a CPU (CNC). Cabe lembrar que , devido ao alto rudo eltrico gerado pela motorizao e inversores , devemos utilizar cabos e fios com a menor distncia possvel. Isso, com certeza , aumentar a imunidade a defeitos espordicos. Sensores A maior parte das mquinas CNC utilizam uma linha de 24 Vcc para alimentar os diversos sensores . Essa tenso, eletronicamente falando, relativamente alta , aumentando assim a imunidade a rudos eltricos. A figura 7 ilustra um canal de I/O. Normalmente, um mdulo I/O tem, em mdia, de 16 a 32 entradas e sadas digitais. Cada uma delas assemelha se da figura 7. Notem que temos um opto - acoplador logo na entrada. Isso possibilita uma isolao entre o comando (CNC) e a periferia da mquina. Caso algum sensor se queime, ou algo entre em curto-circuito , com essa tcnica as chances do CNC danificar-se diminuem.

Figura 8 - Distribuio da alimentao.

nica (cavacos quentes). Fica claro que o risco de haver um curto-circuito nessas etapas muito maior do que com os componentes abrigados dentro do gabinete eltrico. Por esse motivo, as vrias fontes aumentam a segurana da mquina.

UNIDADE REGENERATIVA O inversor de freqncia, doravante chamado acionamento, de maior potncia em uma mquina CNC o do eixo-rvore. Todo o esforo mecnico da usinagem fica submetido a esse eixo. Os eixos coordenados (X e Z), como atuam somente como avano da ferramenta de corte, no so to exigidos, portanto, sua potncia bem menor. A potncia do eixo-rvore varia de mquina para mquina , dependendo do porte e aplicao da mquina. As mais comuns situam-se entre 7,5 e 30 HP. O movimento rotativo do eixo-rvore, no momento da frenagem, dissipa uma quantidade de energia muito grande. Esse fenmeno ocorre devido inrcia da massa da placa de fixao da pea usinada, somada massa da prpria pea. Essa energia pode ser absorvida de duas maneiras: regenerao, ou dissipao . A regenerao um processo em que, quando o motor passa a funcionar como gerador (frenagem), o acionamento devolve a energia gerada para a prpria rede eltrica. A figura 9 traz o esquema genrico. Como j foi dito nos artigos anteriores sobre inversores de freqncia,33

INTERFACE HOMEM MQUINA (IHM) A interface homem mquina , mais conhecida como IHM , a unidade responsvel pela introduo e leitura de dados. atravs dela que o programa instalado na mquina. A figura 6 mostra uma IHM tpica de fabricao ROMI. Notem que temos um teclado alfanumrico e um monitor de 9 polegadas.

Figura 7 - "Clula" do mdulo I/O.

Figura 6 -IHM Mach 9 ROMI.

A IHM possui um processador prprio. Essa tcnica tem duas finalidades: poupar tempo de processamento

A maioria dos CNCs possui uma fonte de alimentao interna. Essa fonte do tipo chaveada, e alimenta apenas o CNC. Para a linha de 24 Vcc temos outra fonte que, normalmente, linear. A figura 8 apresenta um esquema de distribuio eltrica simplificado de uma mquina. Aqui tambm, a vantagem de termos vrias fontes, ao invs de uma nica para todo o sistema, a isolao galvnica entre os diversos circuitos . Alm disso, vrios sensores so colocados em locais sujeitos a alta temperatura, agresso qumica (leos refrigerantes) e mec-


AUTOMAOA dissipao, por outro lado, um processo mais simples. A unidade no necessita procurar sincronismo com a rede, nem tampouco inverter a tenso DC em AC. Na verdade, a unidade dissipativa apenas monitora a tenso do barramento DC . Quando esta ultrapassa determinado valor, a unidade liga um resistor de potncia em paralelo ao barramento. Esse resistor dissipa a energia excedente na forma de calor, no devolvendo nada para a rede eltrica. Obviamente esse circuito bem mais simples e barato, porm, no economiza energia eltrica. Normalmente , a escolha da unidade (regenerativa ou dissipativa) feita no ato da compra da mquina como acessrio. A figura 10 mostra um diagrama simplificado dessa unidade.

Figura 9 - Unidade regenerativa.

Figura 10 - Unidade dissipativa.

o barramento DC alimenta o mdulo de potncia formado pelos IGBTs. No regime em que o acionamento entrega potncia ao motor, esse converte a energia eltrica em mecnica. A tenso no barramento DC nessa situao , mantm-se em nveis baixos (aproximadamente 450 Vcc). Quando o acionamento interrompe o fornecimento de energia ao motor, este continua girando por inrcia. O motor agora passa a ser um gerador. Essa energia faz com que a tenso no barramento DC suba. Como a unidade regenerativa est monitorando a tenso nesse ponto, imediatamente , seus circuitos internos invertem a tenso DC em AC novamente e , aps casar o sincronismo com a tenso AC da rede, devolvem a energia excedente para a rede eltrica. Embora esse circuito seja relativamente complexo , para quem possui um nmero grande de mquinas , um investimento que vale a pena, pois a economia de energia eltrica considervel. Esse processo de regenerao utilizado em vrios outros setores tecnolgicos. O mais nobre exemplo o Metr de So Paulo. Muitas vezes, um trem que est parado em uma estao aguarda a aproximao do outro trem. Quando esse chega , devolve a energia da frenagem para os trilhos, que utilizada na partida do outro trem. Nesse caso, como as massas de ambos os trens so semelhantes, o trem da frente consegue vencer a inrcia sem gastar energia da concessionria (rede).34

RESOLVENDO PROBLEMAS Como de costume em nossos artigos, reservamos uma parte para aqueles que j possuem o equipamento, e desejam respostas para alguns problemas clssicos. Seguem as dicas: Problema: - A mquina no referencia Soluo possvel: - Verificar sensores fim de curso, e parmetros dos eixos

- A mquina d choques na carcaa - Verificar o aterramento eltrico - A mquina quebra comunicao on-line com inversor do eixo rvore ligado - Verificar o aterramento - Abaixar a freqncia PWM do inversor - Instalar ferrites toroidais na linha de alimentao dos inversores. - Verificar unidade regenerativa, e seu disjuntor - Verificar fonte do vdeo - Verificar amplitude e balanceamento das fases de alimentao - Verificar encoder, motor, e acionamento do respectivo eixo - Alterar a ordem das fases de alimentao R , e T - Verificar CNC - Separar os cabos de comando e potncia - Verificar aterramento - Verificar CNC . - Verificar CNC. - Verificar md. I/O - Verificar fonte de 24 VccMECATRNICA ATUAL N 3 - aBRIL/2002

- A alarme de sobretenso no barramento DC - Vdeo com imagem trmula - Aquecimento da motorizao e acionamentos - Alarme de erro de segmento

- Bomba de leo refrigerante roda ao contrrio - Introduo de caracteres aleatrios no programa

- Eixos disparam - Executa operao indevida - Vlvula ou outro perifrico no atua

AUTOMAOMaterial: Alumnio 0515 Acabamento Vc: 160 m/min Avano: 150 m/min Prof. de corte : 0,1 mm Programa CNC: Programa n: 01 % : 0026 N10G90G17G55 N20T01 N30G0Z0H0 N40S1800M3 N50G0X - 85Y - 15 N60G43Z5H1 N70G1Z - 10F150 N150G1Z - 20F150 N160G91G41G01X30Y - 30 N170G03X30Y3010J30 N180G02150J0 N190G03X - 30Y301 - 30J0 N200G40G01X - 30Y - 30 N210 G90G1Y - 80F150 N220G1Z - 30F150 N230G41G1X - 50Y - 50 N240Y50 N250X50 N260Y - 50 N270X - 60 N280G40G1X - 80Y - 80 N290G0Z0H0 N300M30 %

Caso o comando fosse Z + 50, o mesmo movimento seria executado, porm, no sentido oposto, afastandose da placa de fixao. Com certeza, impossvel ministrar um curso de programao de torno apenas com este artigo, porm, na figura 11 temos um exemplo de um programa com sua respectiva pea (em um futuro breve iniciaremos um curso completo de programao CNC nas pginas do MECATRNICA ATUAL. No percam!). Esse programa de uma mquina Romi Polaris V 400, centro de usinagem. Os indicativos N antes das linhas de programao referem-se s ordens das linhas de programao. Caso haja interesse do leitor em especializar-se em programao CNC, existem escolas especializadas pelo pas. Uma das mais famosas a prpria rede Senai.

Figura 11 - Pea fabricada em um centro de usinagem.

CONCLUSO Uma mquina automatizada com CNC quase to complexa quanto um organismo. O profissional de manuteno desse tipo de equipamento deve possuir conhecimentos nas mais diversas reas (eletrotcnica, eletrnica, mecnica, software, hidrulica, pneumtica, etc...). Claro que ns, da Mecatrnica Atual, no temos a pretenso de formar um tcnico com apenas um ou mais artigos, porm, acreditamos que essas informaes so fundamentais para quem est pensando em ingressar nesse mundo tecnolgico . O leitor que deseja atuar nessa rea precisa freqentar cursos especficos, e sempre se atualizar atravs de eventos l e literatura adequada.

REFERENCIANDO A MQUINA (HOME MACHINE) No final do expediente de trabalho quando desligamos a mquina CNC, ela perde a informao sobre os seus pontos de referncia. Essa informao gravada em uma regio de memria RAM e, toda vez que religamos a mquina dev

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Revista Mecatronica Atual - Edicao 003