Unidade de movimentação linear utilizando pinhão e cremalheria
Descrição do Produto
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA – CAMPUS FLORIANÓPOLIS CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
Claudio Abílio da Silveira (Coordenador) Leonardo Santana Matheus Santos da Silva
UNIDADE DE MOVIMENTAÇÃO LINEAR UTILIZANDO PINHÃO E CREMALHEIRA
PROJETO PRELIMINAR
Este relatório é uma versão inicial. A equipe de projeto reserva o direito de modificá-lo ou completá-lo.
Florianópolis, Abril de 2011
SUMÁRIO 1 PROJETO INFORMACIONAL................................................................. 7 1.1 DESCRIÇÃO DO PRODUTO ................................................................ 8 1.1.1 APLICAÇÕES DO PRODUTO..................................................................... 9 1.1.2 OBJETIVOS ...........................................................................................10 1.1.2.1 OBJETIVO GERAL ...............................................................................10 1.1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................10 1.1.3 RESTRIÇÕES ESPECÍFICAS RELACIONADOS AO PRODUTO ......................11 1.2 FATORES DE INFLUÊNCIA NO PROJETO ......................................... 12 1.2.1 CRONOGRAMA DE PLANEJAMENTO ........................................................12 1.2.2 PRODUTOS EXISTENTES NO MERCADO ..................................................14 1.3.3 NORMAS E LEIS QUE AFETAM O PRODUTO .............................................16 1.2.4 NORMAS TÉCNICAS DE SEGURANÇA ......................................................18 1.3 CLIENTES........................................................................................ 20 1.3.1 ANÁLISE DO CICLO DE VIDA DO PRODUTO .............................................20 1.3.2 DEFINIÇÃO DOS CLIENTES ....................................................................21 1.3.3 NECESSIDADES DOS CLIENTES..............................................................22 1.4 REQUISITOS DOS CLIENTES .......................................................... 24 1.5 REQUISITOS DE PROJETO .............................................................. 26 1.6 ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO ....................................................... 27 2 PROJETO CONCEITUAL ...................................................................... 28 2.1 ESTRUTURA FUNCIONAL ................................................................ 29 2.1.2 FUNÇÃO GLOBAL ..................................................................................30 2.1.3 ESTRUTURAÇÃO DO PRODUTO MECATRÔNICO ......................................32 2.1.3 ESTRUTURAS FUNCIONAIS DO PRODUTO ..............................................33 2.1.3.1 ESTRUTURA FUNCIONAL ELETROELETRÔNICA ....................................33 2.1.3.2 ESTRUTURA FUNCIONAL MECÂNICA ...................................................35 2.2 CONCEPÇÕES .................................................................................. 36
2.2.1 CONCEPÇÕES ALTERNATIVAS DO PRODUTO ..........................................36 2.2.1.1 CONCEPÇÕES ELETROELETRÔNICAS ...................................................37 2.2.1.2 CONCEPÇÕES MECÂNICAS ..................................................................39 2.2.2 SELEÇÃO E COMPARAÇÃO DAS CONCEPÇÕES .........................................43 2.2.3 APRESENTAÇÃO CONCEPÇÃO ADOTADA ................................................47 2.2.3.1 MODELO ELETROELETRÔNICO............................................................47 2.2.3.2 MODELO MECÂNICO...........................................................................49 2.2.4 AVALIAÇÃO DA CONCEPÇÃO ADOTADA ..................................................50 3 PROJETO PRELIMINAR ...................................................................... 52 3.1 ESTRUTURA ELETROELETRÔNICA .................................................. 53 3.1.1 FUNÇÃO SUPRIR ENERGIA .....................................................................53 3.1.1.1 FORNECER TENSÃO............................................................................54 3.1.1.2 DISSIPAR ..........................................................................................60 3.1.2 FUNÇÃO CONTROLAR ............................................................................62 3.1.3 FUNÇÃO LIMITAR..................................................................................68 3.1.3.1 DETERMINAR HOME ...........................................................................68 3.1.3.2 DETERMINAR FIM DE CURSO ..............................................................70 3.1.4 FUNÇÃO INFORMAR POSIÇÃO................................................................72 3.1.5 FUNÇÃO FORNECER CORRENTE .............................................................79 3.1.6 FUNÇÃO MOVIMENTAR .........................................................................82 3.2 ESTRUTURA MECÂNICA .................................................................. 84 3.2.1 FUNÇÃO SUSTENTAR ............................................................................84 3.2.2 PROTEGER ...........................................................................................86 3.2.3 GUIAR MOVIMENTO ..............................................................................87 3.2.4 TRANSMITIR MOVIMENTO ....................................................................88 3.2.5 SINALIZAR ...........................................................................................92 REFERÊNCIAS ....................................................................................... 95 APÊNDICE A – CASA DA QUALIDADE .................................................... 97 APÊNDICE B – DESENHOS TÉCNICOS ................................................... 98 ANEXO A – CATALOGO TÉCNICO BORNES BR0 ................................... 103
LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 – UNIDADE DE MOVIMENTAÇÃO LINEAR TÍPICA ............................................ 8 FIGURA 2 – CRONOGRAMA DE PLANEJAMENTO .........................................................13 FIGURA 3 – UNIDADE DE MOVIMENTAÇÃO LINEAR RAC .............................................15 FIGURA 4 – UNIDADE DE MOVIMENTAÇÃO LINEAR MEC PART’S ...................................15 FIGURA 5 – UNIDADE DE MOVIMENTAÇÃO LINEAR HIDRAPA ........................................16 FIGURA 6 – CICLO DE VIDA DO PRODUTO (ADAPTADO DE FONSECA, 2000) ....................20 FIGURA 7 – MODULARIDADE ENTRE UNIDADES DE MOVIMENTAÇÃO LINEAR. .....................30 FIGURA 8 – FUNÇÃO GLOBAL DO SISTEMA. .............................................................31 FIGURA 9 – ESTRUTURAÇÃO DO PRODUTO .............................................................32 FIGURA 10 – SÍNTESE FUNCIONAL ELETROELETRÔNICA ..............................................34 FIGURA 11 – SÍNTESE FUNCIONAL MECÂNICA ..........................................................35 FIGURA 12 – ESQUEMÁTICO DE LIGAÇÃO DO TRAFO 9+9V. ........................................55 FIGURA 13 – ESQUEMÁTICO DA FONTE DE 5V. ........................................................56 FIGURA 14 – LAYOUT DA PLACA PARA A FONTE DE 5V. ..............................................58 FIGURA 15 – LAYOUT 3D DA PLACA PARA A FONTE DE 5V. .........................................59 FIGURA 16 – COOLER. .....................................................................................61 FIGURA 17 – ATMEGA 328P E SEU ESQUEMÁTICO ....................................................64 FIGURA 18 – ESQUEMÁTICA DO CIRCUITO CONTENDO O MICROCONTROLADOR .................65 FIGURA 19 – LAYOUT DA PLACA PARA O ATMEGA 328 ...............................................67 FIGURA 20 – LAYOUT 3D DA PLACA PARA O ATMEGA 328P ........................................68 FIGURA 21 – CHAVE DE ACIONAMENTO MECÂNICO ...................................................69 FIGURA 22 – CIRCUITO DE LIGAÇÃO PARA CHAVES DE FIM DE CURSO. ............................71 FIGURA 23 – COMPONENTES FÍSICOS DO ENCODER. .................................................74 FIGURA 24 – ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO ENCODER .................................................75 FIGURA 25 – LAYOUT DA PLACA PARA O ENCODER ....................................................78 FIGURA 26 – LAYOUT EM 3D DA PLACA PARA O ENCODER...........................................79 FIGURA 27 – DIAGRAMA DE FUNCIONAMENTO DO DRIVE ............................................81 FIGURA 28 – VISTA SUPERIOR DO DRIVE DCBMP ....................................................82 FIGURA 29 – MOTOR DE PASSO ..........................................................................83 FIGURA 30 – PERFIL DE ALUMÍNIO EXTRUDADO .......................................................85
FIGURA 31 - ESTRUTURA DE SUSTENTAÇÃO ............................................................86 FIGURA 32 – APLICAÇÃO DAS GUIAS LINEARES E SEUS PATINS. ....................................88 FIGURA 33 – SISTEMA DE REDUÇÃO POR POLIAS ......................................................90 FIGURA 34 – TRANSMISSÃO POR MEIO DE PINHÃO E CREMALHEIRA ...............................91 FIGURA 35 – SINALIZAÇÃO DOS ESTADOS DE OPERAÇÃO ............................................93 FIGURA 36 – ETIQUETAS DE RISCOS AO OPERADOR ..................................................94
LISTA DE QUADROS QUADRO 1 – REQUISITO DOS CLIENTES ................................................................25 QUADRO 2 – REQUISITOS DO PROJETO .................................................................26 QUADRO 3 – ESPECIFICAÇÕES DO PROJETO............................................................27 QUADRO 4 – MATRIZ MORFOLÓGICA DA ESTRUTURA ELETROELETRÔNICA .......................39 QUADRO 5 – MATRIZ MORFOLÓGICA DA ESTRUTURA MECÂNICA ...................................42 QUADRO 6 – CONCEPÇÕES DA ESTRUTURA ELETROELETRÔNICA ...................................44 QUADRO 7 – CONCEPÇÕES DA ESTRUTURA MECÂNICA ...............................................45 QUADRO 8 – MATRIZ DE DECISÃO (MÉTODO DE PUGH) .............................................46
1 PROJETO INFORMACIONAL A automação de processos está atualmente amplamente difundida em diversas áreas sejam elas industriais ou não. A busca pelo desenvolvimento de novas técnicas e o aprimoramento das tecnologias já dominadas apresenta grande importância para o crescimento produtivo e para o aumento da qualidade dos produtos e serviços que se utilizam de soluções mecatrônicas. Desde o inicio dos processos de automatização procura-se obter o controle sobre os fenômenos e as forças que atuam em um sistema técnico voltado ao cumprimento de uma determinada função, sendo um dos aspectos presentes nesse cenário o tipo de movimentação utilizada. A responsabilidade de movimentar subsistemas em um equipamento esta associada à utilização de uma série de componentes que permitem a transmissão de força, controle de aceleração e velocidade, suporte de carregamentos e outros elementos que atuam de forma conjunta para garantir essa movimentação. Entre as formas de movimentação mais aplicadas está à linear, onde os corpos são deslocados em linha reta, embora seja um movimento unidimensional o domínio de suas variáveis aliado a robustez mecânica do sistema garantem precisão e confiabilidade capazes de serem empregadas em sistemas mais avançados de movimentação com vários eixos de liberdade. O projeto visa à construção de uma unidade de movimentação linear, um módulo que integra componentes mecânicos, elétricos e eletrônicos com a finalidade de permitir a movimentação de uma plataforma (denominada mesa ou carro) ao longo de um determinado trajeto, com deslocamento nos dois sentidos. O desenvolvimento inclui a escolha dos materiais e o dimensionamento dos componentes que permitam um deslocamento eficiente e também o controle de posicionamento da mesa ao longo do seu curso. Além das características típicas associadas a uma unidade de movimentação, o produto deve permitir a sua integração com outros equipamentos do gênero, essa modularização facilitará futuras utilizações de sua movimentação linear em montagens com outras unidades.
1.1 DESCRIÇÃO DO PRODUTO Uma unidade de movimentação linear visa permitir o deslocamento de um corpo em uma trajetória reta, em ambas as direções e limitado a certo comprimento por dispositivos sensoriais ou físicos que determinam o curso de atuação da unidade. Associado ao desenvolvimento desse produto mecatrônico estão incluídos outros princípios, uma vez que a sua funcionalidade depende da correta integração entre os componentes e subsistemas técnicos que compõem a unidade de movimentação linear. Sua configuração usual apresenta uma estrutura de sustentação rígida que permite a fixação e garante o correto posicionamento dos componentes durante seu funcionamento. Um elemento móvel (mesa) que sofre deslocamento em relação à estrutura de sustentação e permite o transporte de cabeçotes porta-ferramenta, peças, outras unidades de movimentação ou qualquer elemento posicionado sobre a mesa. A figura a seguir apresenta uma unidade de movimentação linear (sem acionamento):
Fonte: www.brighentti.com.br FIGURA 1 – Unidade de movimentação linear típica
Estão incluído também elementos de apoio responsáveis por suportarem e distribuírem o carregamento sofrido pelo carro além de permitirem o seu livre deslocamento ao longo do curso de forma eficiente oferecendo o mínimo de resistência a movimentação por meio da redução do atrito entre os elementos do sistema. Elementos do apoio têm influência direta sobre o produto, pois evitam que
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as forças (radiais e de momento) que atuam sobre os elementos móveis extrapolem as tolerâncias que determinam a precisão do sistema. Para efetivar a movimentação linear são necessário sistemas de acionamento e transmissão capazes de atender as especificações de projeto e de utilização do produto. Entre os acionadores mais utilizados estão os motores elétricos e seus tipos construtivos, podendo ser utilizados motores DC, servomotores e motores de passo, cada um com faixas de potência, torque e características particulares. As transmissões são responsáveis por converterem a energia fornecida pelo sistema de acionamento em força e movimento para impulsionar a estrutura do carro permitindo que este efetue um deslocamento ao longo dos elementos de apoio, no caso uma trajetória retilínea. Além dos dispositivos mecânicos necessários pare realização do movimento linear empregam-se dispositivos eletrônicos e sensoriais que auxiliam o software no comando da unidade. Seus sistemas geralmente apresentam sensores que informam os limites de deslocamento do carro ao longo do seu curso e a posição inicial (chamado ―zero máquina‖), ou possuem um dispositivo capaz determinar a posição das partes móveis de forma constante. Um gerenciador eletrônico (CLP, microcontrolador) utiliza as informações coletadas para definir a execução dos comandos que efetivamente ativaram os acionadores do sistema. 1.1.1 APLICAÇÕES DO PRODUTO A necessidade de movimentos do tipo linear é uma das principais características dos sistemas técnicos que empregam métodos de automação para realizarem operações de deslocamento, presentes em diversas aplicações. Unidades de movimentação linear estão presentes em centros de usinagem, máquinas de corte para chapas metálicas, impressoras gráficas, linhas de montagem, equipamentos médicos e outros dispositivos mecânicos que exigem este tipo de movimentação. Esta diversidade de aplicação permite que os produtos e componentes voltados para movimentação linear possam ser encontrados em diversas áreas como indústria siderúrgica, automobilística, aeronáutica, medicina (radiologia, odontologia), alimentícia entre outras.
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O produto em questão deve atender aplicações voltadas para uso didático, com características que favoreçam a acessibilidade dos alunos do Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial aos métodos, técnicas e componentes empregados na construção de um sistema mecatrônico, no caso uma unidade de movimentação linear. A sua utilização em módulos mais avançados implica na necessidade do produto atender requisitos técnicos que permitam a realização de testes, anexação de novos componentes, modularização com outros sistemas, facilidade de manutenção e custos agregados viáveis para a instituição. Seu layout de montagem deve conter alto nível de padronização a fim de garantir a maior semelhança técnica possível com os produtos já existentes no mercado, facilitando o conhecimento das técnicas e componentes aplicados profissionalmente no desenvolvimento de projetos mecatrônicas. 1.1.2 OBJETIVOS Os objetivos compreendem os resultados que serão alcançados ao final do projeto, sejam eles físicos, no caso o produto estruturado ou as competências desenvolvidas ao longo do módulo que se relacionam com o desenvolvimento e a construção do projeto integrador. 1.1.2.1 OBJETIVO GERAL Desenvolver uma unidade de movimentação linear, com o principio de transmissão de movimento através de pinhão e cremalheira. 1.1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS São objetivos específicos do projeto: a) Desenvolver a estrutura física e funcional do produto; b) Selecionar e dimensionar componentes e estrutura mecânica; c) Elaborar layout e placas de circuito de impresso; d) Desenvolver linguagem de programação para controle do processo;
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e) Realizar testes; f) Analisar os resultados, visando identificar se os mesmos atendem as necessidades dos clientes. 1.1.3 RESTRIÇÕES ESPECÍFICAS RELACIONADOS AO PRODUTO Os processos modelagem e construção do produto alvo do projeto apresentam algumas restrições técnicas definas durante a fase de apresentação dos temas. Entre elas destacam-se a utilização de componentes disponibilizados pela instituição a fim de facilitar a construção mecânica e eletrônica e garantir a possibilidade de conclusão pratica do projeto devido curta disponibilidade de tempo para aquisição de materiais. Outra restrição determinante estabelece a forma de transmissão de movimento efetuada entre o sistema de acionamento e as partes móveis por meio da utilização do conjunto pinhão e cremalheira, um par de engrenagens sendo o pinhão do tipo cilíndrico e a cremalheira do tipo plana permitindo a transformação dos movimentos rotacionais em deslocamento linear. Essa restrição técnica será considerada permanente ao longo do desenvolvimento do projeto, mesmo que outras soluções possam ser aplicas para a forma de transmissão de movimento, a utilização do pinhão e cremalheira não poderá ser abolida.
1.2 FATORES DE INFLUÊNCIA NO PROJETO O desenvolvimento de projeto deve considerar além das necessidades técnicas relacionadas à construção mecânica e eletroeletrônica, outros princípios que podem de alguma maneira influenciar nas características do produto, desde a aceitação dos clientes frente aos concorrentes de mercado quanto às restrições e normas de fabricação que garantem qualidade do produto, entre esses fatores estão: 1.2.1 CRONOGRAMA DE PLANEJAMENTO Um dos fatores com influência critica no desenvolvimento de projeto compreende o tempo necessário para a execução das atividades pela equipe de projeto. Sua organização depende então de ferramentas de auxilio com o cronograma de planejamento (figura 2).
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FIGURA 2 – Cronograma de planejamento
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1.2.2 PRODUTOS EXISTENTES NO MERCADO As unidades de movimentação linear são utilizadas em vários tipos de máquinas do ramo industrial. Máquinas CNC, tornos, fresadoras e equipamentos de produção de utensílios em geral. Geralmente são utilizados fusos de esferas, por ser preciso, trabalhar com cargas consideráveis sem perda de velocidade e pela ―facilidade‖ de controlar juntamente com um motor de passo e um encoder. Todas as mesas apresentam os mesmos princípios de funcionamento. Um bloco apoiado geralmente em um ou mais trilhos, às vezes robusto como o sistema de trilho/patins ou menos robustos como eixos retificados/rolamentos lineares. Não foi encontrado nenhum sistema de precisão utilizando sistema pinhão/cremalheira, porém avaliando outras concepções será possível e viável criar um sistema com qualidade e precisão de milímetros, mesmo trabalhando com cargas maiores, principal vantagem do sistema. Um sistema parecido já utilizado no mercado (ultrapassado) é as direções mecânicas, onde o pinhão fica acoplado ao eixo do volante e a cremalheira no eixo de direção da roda. A pesquisa de concorrentes e fornecedores que disponibilizam princípios e equipamentos relacionadas ao tema do projeto podem ser conferidas nos tópicos a seguir. a) Mectrol – automação industrial: empresa fornecedora de soluções relacionadas à parte de movimentação (mecânica), especializada em guias lineares, mancais, eixos retificados e rolamentos lineares; b) RAC – movimentação linear (concorrente): empresa especializada em movimentação linear, tendo inclusive módulos já prontos para a venda direta (porém os mesmos são feitos utilizando apenas fuso de esferas), como mostrado na figura abaixo. Também fornecem guias lineares e rolamentos lineares;
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FIGURA 3 – Unidade de movimentação linear RAC
c) MEC Part’s – Linear techonology (concorrente): empresa muito completa no ramo. Oferece desde as peças até mesas X/Y de alta precisão, porém também utilizando fuso de esferas, possui uma linha de movimentação com proteção dos elementos internos contra cavacos oriundos de usinagem, entre outros (figura 4). Trabalha também com rolamentos lineares, guias lineares, esferas transferidoras, eixos e mancais;
FIGURA 4 – Unidade de movimentação linear MEC Part’s
d) NSK: empresa de suplementos industriais especializada em equipamentos com elementos rolantes. Muito renomada na cadeia industrial. Fabrica guias lineares com diferentes características, cada uma com uma aplicação diferenciada; e) Hidrapa (concorrente): empresa não muito conhecida no mercado. Trabalham com mesas de posicionamento (figura 5), rolamentos lineares, guias lineares, mesas e guias de rolos cruzados.
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FIGURA 5 – Unidade de movimentação linear Hidrapa
f) ABELT Cremalheira e Pinhão: empresa fornecedora de cremalheiras e seus respectivos pinhões. Tem uma ampla linha de diferentes passos e características. 1.3.3 NORMAS E LEIS QUE AFETAM O PRODUTO Com o aumento das exigências e da competitividade no mercado atual, fica evidente a necessidade dos produtos e serviços atenderem a requisitos de padronização e tolerância cada vez mais rigorosos. A certificação de produtos e serviços está relacionada com sua adequação a legislação vigente e as normas existentes para garantir que os processos utilizados em seu desenvolvimento e fabricação possuam níveis de qualidade e segurança satisfatórios. No contexto internacional existem vários órgãos que criam as normas que regulamentam produtos produzidos industrialmente, no Brasil a obrigação de fazer com que sejam cumpridos os padrões de forma legal pertence a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Abaixo estão relacionadas algumas das normas técnicas que possuem algum tipo de influência sobre o projeto ou sobre as ferramentas utilizadas durante seu desenvolvimento e produção:
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a) ABNT NBR 14229:2007NBR 14229:2007 Data de Publicação: 09/04/2007 Título: Ligas de alumínio - Perfis extrudados sólidos ou tubulares para fins estruturais - Requisitos Comitê: ABNT/CB-35 Alumínio Status: Em Vigor Organismo: ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas Objetivo: Esta Norma estabelece os requisitos para os perfis extrudados sólidos ou tubulares de ligas de alumínio para uso em aplicações estruturais, tais como estruturas para sinalização viária, postes e braços de postes, defensas em auto-estradas e pontes, uso geral em construção mecânica e estruturas em construção civil. b) ABNT NBR 9438:1988 Data de Publicação: 30/12/1988 Título: Cremalheira de
para engrenagens cilíndricas de perfil evolvente -
Dimensões - Padronização Comitê: ABNT/CB-04 Máquinas e Equipamentos Mecânicos Status: Em Vigor Organismo: ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas Objetivo: Esta Norma padroniza as dimensões do perfil da cremalheira de para um sistema de engrenagens cilíndricas com perfil de envolvente, aplicadas na área mecânica, para módulos de 1 mm até 50 mm. c) ABNT NBR ISSO 281:2007 Data de Publicação: 26/03/2010 Título: Mancais de rolamentos — Capacidade de carga dinâmica e vida útil estimada Comitê: ABNT/CB-04 Máquinas e Equipamentos Mecânicos Status: Em Vigor Organismo: ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
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Objetivo: Esta Norma especifica métodos de calculo da capacidade de carga dinâmica básica de mancais de rolamentos dentro do campo de dimensões mostrado nas publicações ISO relevante, fabricados com aço para rolamentos, com tratamento térmico, de alta qualidade, normalmente utilizados e usuais, de acordo com as boas praticas de fabricação e, basicamente, de projeto convencional com relação ao formato das superfícies de contato rolantes. d) ABNT NBR 15623-3:2008 Data de Publicação: 15/09/2008 Título: Máquina elétrica girante - Dimensões e séries de potências para máquinas elétricas girantes - Padronização Parte 3: Motores pequenos e flanges BF10 a BF50 Comitê: ABNT/CB-03 Eletricidade Status: Em Vigor Organismo: ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas Objetivo: Esta parte da ABNT NBR 15623 estabelece dimensões de fixação e de ponta de eixo para máquinas elétricas girantes de eixo horizontal, para motores pequenos com flanges entre BF10 e BF50, que usualmente são utilizados em dispositivos de controle. 1.2.4 NORMAS TÉCNICAS DE SEGURANÇA O desenvolvimento de projeto deve garantir que o processo de manufatura, transporte, venda e utilização do produto possa atender de forma satisfatória as normas de segurança estabelecidas para limitar os riscos oferecidos
aos
trabalhadores e eventuais envolvidos no ciclo de vida do produto. Entres as principais normas de segurança vigor relacionadas com o produto estão: Norma Regulamentadora NR 10 Título: Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade Objetivo: Estabelece os requisito e condições mínimas objetivando a implementação de medidas de controle e sistemas preventivos, de forma a
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garantir a segurança e a saúde dos trabalhadores que, direta ou indiretamente,
interagem
em
instalações
elétricas
e
serviços
com
eletricidade. Norma Regulamentadora NR 17 Título: Ergonomia. Objetivo: Visa a estabelecer parâmetros que permitam a adaptação das condições de trabalho às características psicofisiológicas dos trabalhadores, de modo a proporcionar um máximo de conforto, segurança e desempenho eficiente.
1.3 CLIENTES Após a definição do projeto, uma das etapas necessárias para obtenção de informações é a definição do ciclo de vida do produto, ou seja, uma projeção dos estágios pelos quais o produto deverá passar ao longo da etapa de planejamento, fabricação e consumo que permitira a identificação dos potenciais envolvidos nessas etapas do processo. 1.3.1 ANÁLISE DO CICLO DE VIDA DO PRODUTO Cada produto possui seu próprio ciclo de vida, sua definição baseasse no conhecimento existente sobre produtos similares já disponíveis no mercado ou nas etapas que comumente são atribuídas a um grupo especifico de produtos. Para analisar o histórico do produto é preciso relacionar os diversos setores e clientes envolvidos no processo de concepção e produção e suas respectivas necessidades, desde as primeiras atividades de organização e planejamento do produto, passando pelas fases de manufatura, utilização e assistência, até a reciclagem e descarte final dos materiais. A figura 6 apresenta um modelo de ciclo de vida em espiral:
FIGURA 6 – Ciclo de vida do produto (adaptado de Fonseca, 2000)
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O ciclo se divide em diferentes setores, onde a área de projeto, fabricação, montagem, armazenamento e transporte configuram os chamados clientes internos, que compreendem os fabricantes, a equipe envolvida no desenvolvimento técnico do projeto e na produção do produto. Em geral priorizam soluções que tragam facilidades de projeto e manufatura. Diferentemente de um produto desenvolvido segundo um ciclo voltado para a comercialização, à unidade de movimentação linear idealizada pelo projeto visa o uso didático do equipamento, o que justifica a inexistência das áreas de transporte, venda e compra. Sua utilização de forma interna pela instituição dispensa a necessidade de clientes responsáveis pela logística de transporte do produto ou dos clientes intermediários, como são denominados os envolvidos no processo de venda e de compra. Os setores de mercado embora não possuam representantes (clientes intermediários) específicos no projeto apresentam necessidades que não devem ser negligenciadas, pois agregam valor ao produto quando atendidas, como no caso de um produto que seja atrativo, de fácil exposição e transporte, por exemplo. Os clientes externos são os indivíduos (professores e alunos) que podem de alguma forma usufruir da utilização do produto por meio das funções que o mesmo disponibiliza, realizam operações de manutenção, efetuam a desmontagem ou reciclagem do produto e quando permitido modificam o equipamento visando à melhora de sua eficiência ou aplicação didática. 1.3.2 DEFINIÇÃO DOS CLIENTES Por meio da análise do ciclo de vida é possível determinar os clientes envolvidos com o produto e consequentemente seus anseios e necessidades, o que possibilita a equipe de projeto determinar quais as características e funções atribuídas à unidade de movimentação linear possui maior importância para se obter a satisfação de seus clientes nos diversos setores. Os clientes dos setores produtivos correspondem à própria equipe de projeto, responsável pela elaboração e excussão dos planos de produção e das atividades de fabricação e de montagem, cujas necessidades estão diretamente relacionadas com
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facilidades em termos de construção, disponibilidade de recurso na instituição (matéria-prima,
equipamentos
e
instalações),
utilização
de
componentes
padronizados e segurança nos métodos empregados durante esta fase do projeto. A área de armazenagem é representada pelos responsáveis e funcionários ligados os laboratórios onde o produto será acondicionado, suas principais necessidades estão relacionadas com a fácil manipulação da estrutura e seus componentes aliados a um bom aproveitamento das dimensões ocupadas pela unidade evitando a existência de partes projetadas para fora de sua base, preenchendo mais espaço de forma desnecessária. No setor de consumo os clientes envolvidos englobam os professores e alunos que estarão relacionados direta ou indiretamente com o uso do produto desejando que o mesmo apresente características como: segurança, eficiência, durabilidade, confiabilidade e facilidade de operação. Também fazem parte dos clientes externos responsáveis pela manutenção, reciclagem e descarte, que em virtude da utilização interna do produto serão membros do curso ligados aos laboratórios, cujas expectativas são o baixo custo de manutenção, a facilidade de desmontagem e a possibilidade de reutilização de peças. 1.3.3 NECESSIDADES DOS CLIENTES O desenvolvimento de um projeto está diretamente relacionado com as expectativas e os anseios dos clientes, que refletiram em uma aceitação do produto pelo mercado caso eles sejam atendidos. A coleta de informações que define as necessidades de determinado grupo em relação ao produto pode ser obtida a partir de entrevistas diretas com seus membros ou pela aplicação de questionário relacionado com o produto. Em geral as necessidades dos clientes são apresentadas em diferentes variações lingüísticas, dependendo do grau de conhecimento técnico ou a familiarização com tema proposto para o projeto. Cabe a equipe de projeto selecionar e agrupar as necessidades de forma a eliminar as repetições, para obter apenas o mínimo de informações, consideradas relevantes para a execução do projeto. A listagem abaixo apresenta essas necessidades:
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a) Ter comprimento limitado; b) Ser de baixo peso; c) Ter capacidade de integração com outros equipamentos; d) Baixo custo; e) Ser ergonomia; f)
Facilidade de transporte;
g) Ser segurança; h) De fácil manutenção; i)
Ter uma estética agradável;
j)
Ausência de superfícies cortantes;
k) Ter acessibilidade didática; l)
Permitir movimentação linear;
m) Apresentar baixo percentual de falhas; n) Ser robusto; o) Ter flexibilidade de utilização; p) Baixo nível de ruídos; q) Utilizar alimentação da rede local (220V); r)
Ser fácil de fabricação;
s) Ter disponibilidade de componentes na instituição.
1.4 REQUISITOS DOS CLIENTES Uma das características encontradas das necessidades dos clientes do projeto é a variação de termos utilizados para definir as características atribuídas ao produto. Para que a linguagem utilizada torne-se acessível para a equipe de projeto é necessários traduzir esse atributos nos chamados requisitos dos clientes, permitindo relacioná-los a propriedades físicas dos materiais utilizados, fatores humanos, aspectos de durabilidade e de apreensão em relação a possíveis falhas. requisitos traduzidos podem ser observados abaixo: a) Baixo nível de falhas; b) Possuir ergonomia; c) Apresentar estética agradável; d) Prevenir danos aos usuários e ao equipamento; e) Ausência de cantos vivos; f)
Possuir padronização;
g) Robustez mecânica; h) Facilidade de manutenção; i)
Possuir transportabilidade;
j)
Possibilitar diferentes layouts de montagem;
k) Utilizar recursos disponíveis na instituição; l)
Organização de componentes;
m) Permitir acessibilidade aos componentes e as funções; n) Movimentar-se linearmente; o) Otimizar a área de movimentação; p) Modularização para interagir com outros equipamentos; q) Utilizar materiais de baixo peso; r)
Possuir baixo custo;
s) Possuir poucas vibrações; t)
Suportar alimentação da rede local.
Esse
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Os requisitos dos clientes também podem ser ordenados de acordo com grau de importância dado a cada um deles durante as entrevistas ou pela frequência com que foram citados, como mostra o quadro abaixo. Classe de requisitos
Requisitos básicos
Requisitos dos clientes Confiabilidade
5
Ergonomia
4
Estética
3
Segurança
5
Padronização
5
Manutenção Requisitos do Transporte ciclo de vida Montabilidade
Requisitos específicos
Grau de importância
4 3 5
Disponibilidade de material
5
Organização
5
Acessibilidade
5
Movimento linear
5
Dimensões
3
Modularização
4
Peso
3
Baixo custo
5
Baixa vibração
3
Rede 220 V
5
QUADRO 1 – Requisito dos clientes
1.5 REQUISITOS DE PROJETO Os requisitos dos clientes definidos no processo anterior representam as necessidades em relação ao produto descritas em uma linguagem acessível à equipe de desenvolvimento, porém ainda apresentam de forma subjetiva ou qualitativa, sendo preciso transformá-las em atributos tecnicamente mensuráveis. Ao se expressar os requisitos dos clientes em uma linguagem técnica de engenharia obtêm-se os requisitos de projeto listados no quadro 2, que são atributos capazes de serem mensurados por alguma grandeza física, que definirá as características finais do produto.
Requisitos do projeto Taxa de falhas (0) Confiabilidade
Precisão (+) Organização (+) Peso (+)
Ergonomia
Dimensão (+) Isolamento elétrico (+) Ausência cantos vivos (0)
Segurança
Sistema de Travamento (+) Resistência mecânica (0) N° peças padronizadas (+)
Econômicos
N° pecas disponíveis (+) Baixo custo (+) Deslocamento linear (+)
Funcionamento
Baixa vibração (0) Modularização (+)
QUADRO 2 – Requisitos do projeto
1.6 ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO A sequência de especificações que definiram os parâmetros primordiais utilizados na elaboração do projeto é baseada na análise da primeira matriz do método QFD, conhecida como a casa da qualidade (apêndice A), que define o grau de importância de cada meta do projeto. As mesmas estão relacionadas no quadro abaixo:
Especificação
Valor Meta
1
N° peças padronizadas
65%
2
Modularização
3 4
Deslocamento linear Precisão
5
Sistema de travamento
6
Resistência mecânica
Até 50 Kg
Deformações da estrutura
7
Taxa de falhas
Mínimo de ocorrências possíveis
Falta de confiabilidade
10
Ausência de cantos vivos N° de peças disponíveis Baixo custo
11
Peso
12
Baixa vibração
13
Isolamento elétrico
14
Dimensão
15
Organização
8 9
Compatibilidade com sistemas similares Superior a 300 mm Menor que 1.0 mm Bloqueio de movimentação menor que 1 segundo
Aspecto indesejado Indisponibilidade de peças Restrições de utilização Curso limitado Imprecisão Falta de segurança
Elevado número de arestas cortantes Não ter as peças >70% das peças utilizadas disponíveis Inferior a 1000 reais Superfaturamento Peso superior ao valor Até 15 Kg meta Não vibrar durante Instabilidade da funcionamento estrutura Impossibilitar a continuidade Energizar a estrutura do entre a estrutura e os fios produto de alimentação 400 X 250 mm Dimensões superiores Falta de distribuição Boa distribuição dos ordenada dos componentes construtivos componentes construtivos 0 arestas
QUADRO 3 – Especificações do projeto
2 PROJETO CONCEITUAL O projeto conceitual, assim como as demais etapas de desenvolvimento de produtos propostas pela metodologia de projeto é de grande importância para o andamento do trabalho. Neste momento busca-se desenvolver a concepção do produto, ou seja, a descrição aproximada das tecnologias, princípios de funcionamento e formas que o projeto poderá ter. Para isso são desenvolvidas várias concepções diferentes, que serão representadas por meio de modelos estruturados, estabelecidos por estudiosos da área de desenvolvimento de produtos. São exemplos desses modelos a síntese funcional e a matriz morfológica, que por serem muito referenciadas na literatura, serão à base das decisões do projeto. Com a síntese funcional relaciona-se o sistema técnico com a física do problema, por meio de fluxos básicos de energia, materiais e sinais. O primeiro passo é determinar a função global do produto. Em seguida é feita a decomposição da função total em outras menos complexas. Assim melhora-se a busca por soluções e o entendimento do problema de projeto. Já a matriz morfológica é uma forma de organizar sistematicamente todas as alternativas conhecidas para efetuar uma determinada função, pois esta dispõe das subfunções estabelecidas pela síntese funcional e das soluções para cada uma delas. A próxima etapa é comparar todas as concepções desenvolvidas por meio do que chamamos de matriz das decisões ou método de Pugh. A melhor concepção será aquela que melhor se adaptou às necessidades dos clientes e respeitou as relações de custo-benefício propostas pelas restrições técnicas e financeiras. Finalizada essa fase parte-se, então, para o projeto preliminar.
2.1 ESTRUTURA FUNCIONAL As particularidades de um sistema técnico estão intimamente ligadas com a função ou finalidade para qual o produto ou serviço prestado foi desenvolvida. A busca por soluções em um projeto pode seguir uma linha de desenvolvimento baseada na identificação das atividades realizadas durante o funcionamento do produto, essas ações definem a estrutura funcional do sistema, ou seja, as condições, equipamentos ou técnicas empregadas na tentativa de cumprir o propósito final do produto. A estruturação funcional do produto auxilia na escolha dos componentes e subsistemas, pois divide a totalidade do projeto em áreas menores capazes de serem analisadas individualmente e de maneira especifica segundo suas características. 2.1.1 ASPECTOS DA MODULARIZAÇÃO COM OUTROS PRODUTOS A modularização ou modularidade representa a característica de alguns sistemas e subsistemas de serem desenvolvidos e fabricados de maneira individual, mas que atendam especificações que permitam sua integração para formar um único produto, uma variação de diferentes produtos ou diferentes tipos de montagem entre produtos pertencentes a uma mesma família. O aspecto de modularidade do projeto é necessário quando se deseja promover a criação de um sistema que apresente mais de uma unidade de movimentação linear para permitir que o equipamento derivado da montagem possua mais de um eixo de movimentação. A integração dos produtos possibilita a criação de máquinas como tornos, fresadoras ou manipuladores resultantes da compatibilidade dos produtos produzidos de forma independente, mas que foram idealizados como este propósito. Existem diferentes níveis de modularidade aplicados a produtos, estes módulos podem ser classificados como componentes que formam diferentes conjuntos entre si e são aplicados em uma plataforma básica. Subsistemas que permitem sua combinação com outros módulos para formarem variações de um
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mesmo produto ou mecanismos que juntos permitem diferentes montagens entre uma série de produtos distintos ou similares. No cenário do projeto, a modularização das unidades de movimentação linear se relaciona com a capacidade de montagem entre suas estruturas com a finalidade de formarem um equipamento com vários eixos de movimentação, sendo que o agrupamento das unidades permita diversas configurações como no exemplo da figura 7 onde duas unidades de movimentação (imagens ilustrativas) apresentam as montagens com os eixos perpendiculares e concorrentes em dois layouts.
FIGURA 7 – Modularidade entre unidades de movimentação linear.
Portanto as medidas necessárias ao projeto para garantir a modularização com outras unidades de movimentação estão relacionadas diretamente com as informações que definem a interface entre os produtos, ou seja, os detalhes que determinam as formas de conexão entre os módulos. 2.1.2 FUNÇÃO GLOBAL Um sistema técnico é caracterizado por um equipamento que executa um determinado processo ou uma sequência de operações, sendo este equipamento formado por diversos elementos que juntos são responsáveis por executar uma função que define o propósito da existência do sistema. Essa função representa
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geralmente a atividade principal desempenhada pelo equipamento, recebendo a denominação de função geral ou função global. A função global do sistema técnico representa uma forma subjetiva da solução para resolução dos problemas relacionados com o desenvolvimento do projeto de produto, pois em geral encontra se de forma superficial. Dificilmente o projetista consegue visualizar as transformações que as grandezas de entrada sofrem ao longo do processo e como suas propriedades serão afetadas até o final das transformações sejam elas atuantes sobre variáveis como energia, material ou informação. Para obter a função global de um produto é necessário analisar as especificações de projeto com o intuito de estabelecer como os clientes esperam que o produto se comporte durante seu funcionamento e consequentemente as funções desempenhadas nessa atividade. O conjunto de entrada e saídas presentes nos sistemas técnicos periféricos ao produto também servem de indicativo para definição da função global, que juntamente à interface com o usuário estabelecem, por exemplo, as informações de entrada, comando, fontes de energia, acoplamento com outros módulos e outras relações necessárias para o funcionamento do sistema. A unidade de movimentação linear apresenta uma série de características comum presentes em outros sistemas técnicos, contudo atribui-se como seu principal propósito a capacidade de exercer movimentação no caso em particular de forma linear. Logo a função global do produto é movimentar linearmente, como é observado na figura a seguir:
Energia Comando
MOVIMENTAR LINEARMENTE
Energia dissipada Movimento
FIGURA 8 – Função global do sistema.
No centro da figura esta a função global do sistema técnico que compreende os processos e os mecanismos que atuam no funcionamento do equipamento realizando as transformações nas entradas, que correspondem aos itens situados à
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direita do bloco central, em saídas do sistema durante fluxo dessas variáveis ao longo da função geral. 2.1.3 ESTRUTURAÇÃO DO PRODUTO MECATRÔNICO O produto mecatrônico é caracterizado pelo desenvolvimento em conjunto de muitas áreas de conhecimento permitindo a integração de varias tecnologias. Logo o seu desenvolvimento engloba uma série requisitos e habilidade por parte dos envolvidos no processo. É buscando o a melhor forma de análise e de solução para cada área de atuação que a equipe de projeto subdivide o produto em duas frentes de desenvolvimento a eletroeletrônica e a mecânica. A divisão do projeto da unidade de movimentação linear em uma estrutura eletroeletrônica contendo os componentes eletrônicos, fontes energéticas, sistemas sensoriais e de controle, assim como no caso da estrutura mecânica contento acoplamentos, reduções, guias e perfis, facilitam a decomposição da função global do sistema devido à abordagem mais focada e individual de cada área de conhecimento. A figura 9 representa a divisão do produto mecatrônico em duas estruturas distintas:
Energia Comando
Energia dissipada
MOVIMENTAR LINEARMENTE
Estrutura Eletroeletrônica
Movimento
Estrutura mecânica
FIGURA 9 – Estruturação do produto
Note que embora as estruturas do produto representem desenvolvimentos
distintas, ambas
áreas de
continuam pertencendo a função global
movimentar linearmente, mesmo com características bem particulares quanto a sua atuação as duas têm como propósito garantir o funcionamento do sistema técnico. A
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linha escura que envolve as estruturas representa os limites do sistema, ou seja, a área que representa efetivamente a função global, os termos externos a essa linha passam a pertencer a outros sistemas técnicos periféricos ou denominam as variáveis de entrada e de saída. 2.1.3 ESTRUTURAS FUNCIONAIS DO PRODUTO A elaboração da função global do sistema técnico representa uma das etapas essenciais para definir uma provável solução para o problema de projeto, contudo seu estado inicial apresenta uma forma abstrata e condensada sobre as transformações envolvidas no processo. Uma ferramenta de desenvolvimento que tem como proposta diminuir a complexidade dessa função global é o chamado método da síntese funcional. A função global pode ser desdobrada de forma sucessiva em uma estrutura com subfunções, e essas por sua vez podem ser divididas até o nível de funções elementares. As subfunções e funções elementares fazem parte função global, contudo cada função atua em um processo ou transformação especifico dentro do sistema, em geral a informação, energia ou material que são entradas para a função global seguem um caminho ou fluxo, onde essas variáveis são modificadas até concluírem o ciclo do equipamento transformando-se em saídas. 2.1.3.1 ESTRUTURA FUNCIONAL ELETROELETRÔNICA Em uma futura elaboração de um conceito para a unidade de movimentação linear é necessário conhecer os métodos e equipamentos que a constituem, nessa listagem técnica estão presentes os componentes do projeto que são responsáveis por executarem ações relacionadas a princípios de funcionamento nos contextos elétricos e eletrônicos. A esse grupo particular atribui-se a denominação de estrutura eletroeletrônica. A elaboração da síntese funcional visa auxiliar na obtenção dos elementos que constituem este grupo por meio da identificação das subfunções que regem o funcionamento eletroeletrônico do produto. As subfunções podem ser definidas com
34
base na análise das especificações de projeto ou em outros equipamentos que possuam princípios ou mecanismos semelhantes aos necessários para realização de determina ação pelo equipamento. A figura a seguir representa a síntese funcional da estrutura eletroeletrônica que contribui para a atuação da função global do sistema Energia Comando
Estrutura Eletroeletrônica
suprir energia
fornecer corrente
informar posição
Determinar fim de curso
Determinar Home
Movimento
Estrutura mecânica
controlar
limitar curso
Dissipar
Fornecer tensão
Energia dissipada
MOVIMENTAR LINEARMENTE
FIGURA 10 – Síntese funcional eletroeletrônica
movimentar
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2.1.3.2 ESTRUTURA FUNCIONAL MECÂNICA A unidade de movimentação linear tem como objetivo realizar uma ação de deslocamento de corpos e para tal necessita dispor de recursos físicos capazes de exercerem forças sobre o sistema a fim de promover este deslocamento. Diferentemente dos componentes eletrônicos, cujo funcionamento está relacionado com os parâmetros eletromagnéticos presentes no circuito, a síntese de funcionamento da estrutura mecânica é influenciada por fatores físicos como carregamentos, atrito entre superfícies, velocidades de deslocamento, resistência dos materiais e outras características típicas dos equipamentos mecânicos. Devido a essas particularidades a síntese funcional mecânica (figura 11) nem sempre apresenta um fluxo de energia ou material ao longo de suas subfunções, mas sim uma interdependência entre todas onde cada uma atua em um propósito especifico que depende do correto funcionamento do sistema como um todo.
Estrutura Eletroeletrônica
Estrutura mecânica
FIGURA 11 – Síntese funcional mecânica
Sinalizar
Sinalizar riscos
Transmitir movimento
Sinalizar operações
Limitar movimentação
Guiar movimento
Direcionar movimento
Proteger cabos elétricos
Proteger componentes
Interligar estruturas
Estruturar
Proteger
Movimento
Reduzir
Comando
Sustentar
Energia dissipada
MOVIMENTAR LINEARMENTE
Aclopar
Energia
2.2 CONCEPÇÕES Com a definição da estrutura funcional do produto inicia-se a busca por princípios de solução que atendam as especificações relacionadas a cada subfunção. O agrupamento de diferentes soluções leva a formação de concepções alternativas, que são diferentes formas de montagem e combinação de componentes com o mesmo propósito de atender a função global da unidade de movimentação, mas com características técnicas, financeiras e estéticas próprias. O comparativo entre as concepções estabelece um conjunto de pontos fortes e fracos que cada uma tem a oferecer perante o projeto, que será analisado para determinar qual dos arranjos conceptivos pode ser adotado como base para o processo de identificação e de detalhamento dos dispositivos, componentes e tecnologias que formam o produto final. 2.2.1 CONCEPÇÕES ALTERNATIVAS DO PRODUTO A elaboração de uma concepção para o produto exige o conhecimento das especificações de projeto para determinar as expectativas a serem atendidas e da síntese funcional da unidade de movimentação para direcionar as escolhas dos artifícios utilizados para satisfazer as subfunções. A busca por princípios de solução para a síntese funcional do produto pode ser obtida com base na análise da literatura técnica, catálogos de fabricantes, observação direta ou indireta de sistemas similares existentes ou pesquisa em trabalhos acadêmicos disponíveis para livre consulta. Embora os níveis de qualidade e eficiência encontrados no mercado permitam várias possibilidades de alternativas para solução de determinada necessidade, vale ressaltar que as restrições relacionadas com o objetivo do projeto, a disponibilidade de material, o acesso a processos de fabricação e as limitações financeiras que determinam um custo beneficio adequado ao projeto podem influenciar na escolha ou descarte de uma ou mais possibilidades de solução.
37
2.2.1.1 CONCEPÇÕES ELETROELETRÔNICAS A busca pelas alternativas pode ser generalizada a qualquer método disponível para solução quando o problema abordado não pertence totalmente ao domínio de conhecimento da equipe de projeto, nesse caso a análise dos casos exigem maior aprofundamento técnico e consequentemente priorização em níveis mais elevados desses itens. Quando determinada função do sistema técnico apresenta princípios de solução conhecidos ou familiares à equipe de projeto, é possível considerar de possibilidade de realizar uma análise técnica superficial das soluções e centralizar os esforços na comparação entre suas vantagens e limitações quando confrontadas com as especificações do projeto. Contudo para estabelecer os princípios de solução para a estruturação eletroeletrônica do projeto se parte da análise das subfunções apresentadas na figura 10 do item 2.1.3.1, que definem o funcionamento técnico do produto onde o objetivo de cada subfunção presente nessa figura pode ser conferido abaixo: a) Suprir energia: fornecer energia elétrica aos componentes elétricos e eletrônicos; - Fornecer tensão: circuito ou dispositivo capaz de adequar os valores de tensão obtidos da rede de alimentação para valores compatíveis aos componentes do sistema. - Dissipar: elemento que efetua a distribuição da energia em forma de calor proveniente do processo de fornecimento para o ambiente externo; b) Controlar: efetuar o controle das variáveis envolvidas no produto; c) Limitar curso: controlar eletronicamente através de sensores a posição atual e final da mesa de movimentação; - Determinar home: Dispositivo que informa quando a mesa de movimentação atingiu as coordenadas que indicam a posição de referência para o sistema de controle, o chamado zero máquina; - Determinar fim de curso: Conjunto de dispositivos de determinam quando unidade móvel atinge o limite físico de movimentação, evitando assim a colisão entre a mesa e a estrutura.
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d) Informar posição: interfacear com o operador e o sistema de controle o posicionamento da mesa a partir de um sensor que informe posicionamento linear; e) Fornecer corrente: circuito responsável pelo fornecimento de valores elevados de corrente, utilizados para o acionamento do motor de passo, comandados por um sinal de baixa potência; f) Movimentar: função executada por um transdutor (dispositivo que transforma energia elétrica em energia mecânica). O conhecimento dos itens presentes na síntese funcional do produto permite encontrar diversos princípios de solução para determinada necessidade do produto, porém essas sugestões precisam ser organizadas de modo a facilitar a sua visualização pela equipe de desenvolvimento possibilitando a geração de concepções alternativas para desempenhar a função global do sistema. Existem métodos sistemáticos para geração de concepções que permitem organizar os princípios de solução encontrados na análise da síntese funcional do produto, entre os métodos disponíveis foi escolhido o da matriz morfológica. Nela estão identificadas as funções e subfunções da estrutura eletroeletrônica nas primeiras colunas da matriz, seguidas de seus princípios de solução organizados de forma independente, sem relação direta com os itens presentes em outras linhas.
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Suprir energia
Função/subfunção
Solução A
Solução B
Solução C
Fonte estabilizada
Fonte chaveada
Baterias
Cooler
Dissipador
Refrigeração
Atmega 328
Família 8051
Atmel AVR
Sensor Magnético
Sensor Mecânico
Sensor Óptico
Sensor Magnético
Sensor Mecânico
Sensor Óptico
Ultra som
Encoder
Potenciômetro Linear
Drive DCBMP
Drive SMC-U-ADV
L702B
Servo Motor
Motor DC
Motor de Passo
Fornecer tensão
Dissipar
Controlar
Limitar
Determinar home
Determinar fim de curso
Informar posição
Fornecer corrente
Movimentar Fonte imagens: arquivo pessoal. QUADRO 4 – Matriz morfológica da estrutura eletroeletrônica
2.2.1.2 CONCEPÇÕES MECÂNICAS A busca por princípios de solução à geração das concepções mecânicas do projeto inclui uma pesquisa sobre as características de componentes oferecidos por
40
meio dos catálogos e sites disponibilizados pelos fabricantes de produtos mecânicos, além dos exemplos apresentados na literatura técnica que demonstram técnicas e mecanismos utilizados em equipamentos similares ou que possuem movimentação linear em algum dos seus subsistemas. Assim como na estrutura eletroeletrônica a base para a formulação de possibilidades para resolver o problema parte do conhecimento da síntese funcional, apresentada na figura 11 cujas subfunções estão relacionadas abaixo: a) Sustentar: subfunção destinada a garantir a robustez mecânica do sistema impedindo a influencia de forças ou momentos indesejáveis durante o funcionamento do produto; - Estruturar: elemento cuja responsabilidade é suportar e fixar os demais componentes do sistema, sua montagem corresponde ao corpo do equipamento; - Interligar estrutura: técnica ou dispositivo de união que interliga as partes que compõem o corpo do equipamento. b) Proteger: grupo de elementos que ira assegurar a integridade de elementos do sistema que de alguma forma possam sofre avarias devido ao processo realizado pela unidade de movimentação durante seu funcionamento; - Proteger componentes: método utilizado para evitar além dos danos físicos resultantes de choques e impactos, o isolamento entre o usuário e componentes energizados ou cortantes; - Proteger condutores: evitar o cisalhamento, dobramento ou esmagamento de fios e cabos elétricos durante o processo de movimentação das partes móveis; c) Guiar movimento: componentes relacionados aos fatores que influenciaram na movimentação linear do produto; - Direcionar movimento: - Limitar movimentação: anteparo que restringe mecanicamente o deslocamento da mesa; d) Transmitir movimento: mecanismos que tem a função de perpetuar o movimento fornecido por um dispositivo elétrico, adequando-o de forma a permitir a movimentação linear ao final do processo;
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- Reduzir: possibilita a modificação das razões entre velocidade e torque de acionamento segundo a necessidade exigida pelo projeto - Acoplar: garante a transmissão do movimento entre elementos separados ou que venham a apresentar discordâncias de alinhamento entre o alinhamento de seus eixos. e) Sinalizar: função que visa informar o usuário sobre condições e características do produto que são consideradas importantes durante a manipulação ou utilização do sistema; - Sinalizar operações: tem objetivo de alertar o usuário sobre a condição em que o aparelho se encontra; - Sinalizar riscos: expõem as situações ou áreas que possam vir a afetar direta ou indiretamente a integridade do operador. A representação visual da síntese aplicada para analisar e desmembrar a estrutura mecânica pode ser conferido no quadro a seguir que apresenta a matriz morfológica com os princípios de solução selecionados para cada uma das funções dessa parte estrutural da função global do sistema.
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Sinalizar
Transmitir movimento
Guiar movimento
Proteger
Sustentar
Função/subfunção
Solução A
Solução B
Solução C
Perfil modular
Metalon
Perfil em L
Placas
Parafusos
Cantoneiras
Gabinete metálico
Acrílico
Plástico
Esteira porta cabos
Calha
Espiral para fios
Bucha de esferas
Patins
Mancal deslizamento
Parafusos
Anteparo polímero
Red. planetário
Engrenagens
Polias e correias
Acopla. Rígido
Acopla. Flexível
Ajuste sob pressão
LEDs
Display
Sinal sonoro
Faixas
Placas
Etiquetas
Estruturar
Interligar estrutura
Proteger componentes
Proteger condutores
Direcionar movimento
Limitar movimento
Reduzir
Acoplar
Sinalizar operações
Sinalizar riscos
Fonte imagens: arquivo pessoal. QUADRO 5 – Matriz morfológica da estrutura mecânica
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2.2.2 SELEÇÃO E COMPARAÇÃO DAS CONCEPÇÕES O princípio de solução apresentado nas matrizes morfológicas, tanto da estrutura
eletroeletrônica
quanto
da
mecânica
corresponde
às
diferentes
possibilidades de resolver determinada necessidade do projeto. Porém a sua seleção não parte da escolha do método mais eficiente ou de menor custo, mais sim da sua aplicação hipotética em uma concepção do produto. Os componentes e métodos estão dispostos de forma aleatória na matriz morfológica, ficando a cargo da equipe de projeto selecionar o conjunto de soluções que possibilite a formação de sistema técnico. A seleção da equipe de projeto fundamenta-se em seu conhecimento sobre os princípios de solução, nas orientações presentes na literatura e nas compatibilidades encontradas entre as soluções disponíveis. Para ilustrar as concepções alternativas do produto, foi elaborado o quadro abaixo que apresenta na primeira coluna as funções/subfunções e nas demais as combinações tecnicamente possíveis entre os princípios de solução. Note que entre as quatro concepções elaboradas uma delas é apresentada com o titulo concepção referencia, isso se deve ao método que adotado para seleção dessas concepções. A equipe de projeto utiliza princípios intuitivos para escolher uma das concepções elaboradas para servir de referencia, essa diferenciação entre as concepções será apenas uma forma de facilitar o processo de seleção que será abordado mais a frente. Vale ressaltar que referência não representa a concepção final que será escolhida ou que tem a melhor forma de solução, essa decisão será determina somente após o processo comparativo.
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Concepção A
Concepção B
Concepção C
Concepção referência
Fornecer tensão
Fonte Chaveada
Bateria
Transformador
Transformador
Dissipar
Ventilação
Dissipador
Ventilação
Cooler
Atmega 328
Atmel AVR
Suprir energia
Função/subfunção
Controlar Limitar
Determinar Sensor Sensor Óptico home Magnético Determinar Sensor Sensor Óptico fim de curso Mecânico Potenciômetr Informar posição Encoder o Linear Controladora Fornecer corrente L702B SMC-U-ADV Movimentar
Motor DC
Servo Motor
Família 8051
Atmega 328
Sensor Mecânico Sensor Magnético
Sensor Mecânico Sensor Mecânico
Ultra som
Encoder
Controladora SMC-U-ADV Motor de Passo
Drive DCBMP Motor de Passo
QUADRO 6 – Concepções da estrutura eletroeletrônica
A elaboração do produto inclui a integração dos princípios e tecnologias adotadas no módulo eletroeletrônico e no modulo mecânico, o que exige uma compatibilidade entre os métodos que são aplicados. O desenvolvimento de projeto da unidade de movimentação linear leva em conta este principio quando são elaboradas as concepções mecânicas do produto como as observadas no quadro 7:
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Estruturar Interligar estrutura Proteger componentes Proteger condutores Direcionar movimento Limitar movimento
Sinalizar
Transmitir movimento
Guiar movimento
Proteger
Sustentar
Função/subfunção
Concepção A
Concepção B
Concepção C
Concepção
Perfil de Alumínio
Perfil de Alumínio
Perfil de Alumínio
Perfil de Alumínio
Parafuso
Placas
Parafuso
Placas
Acrílico
Metálico
Metálico
Metálico
Espiral
Calha
Esteira porta cabos
Patins
Mancal de Deslizamento
Patins
Esteira porta cabos Bucha de esferas
Reduzir
Engrenagens
Acoplar
Acopla. Rígido
Anteparo de Polímero Red. planetário Ajuste sob pressão
Display
Sinal sonoro
Sinal sonoro
Led
Faixas
Placas
Faixa
Etiquetas
Sinalizar operações Sinalizar riscos
Parafusos
Parafusos
Parafusos
Red. planetário Acopla. Flexível
Polias e correias Ajuste sob Pressão
QUADRO 7 – Concepções da estrutura mecânica
Após a definição das concepções alternativas para o produto é possível empregar métodos sistemáticos capazes de fornecerem um parecer resultante da comparação entre as possibilidades analisadas. Um dessas técnicas é a matriz da decisão ou método de Pugh, onde a concepção adotada como recebe valor nulo para cada um dos critérios avaliados, as demais concepções são comparadas com o referencial e recebe valor positivo (+) quando atendem o critério de forma mais eficiente, valor (-) quando satisfazem menos a necessidade ou valor igual (S) quando a concepção avaliada e a de
produzem o mesmo resultado para o critério de
comparação. Os critérios de comparação estendem-se a qualquer requisito que defina o produto, expectativas dos clientes do ciclo de vida do produto, aspectos de marketing e de mercado entre outros. Para equipe de desenvolvimento optou por utilizar os requisitos dos clientes, apresentados no item 1.5 do projeto informacional como critério para realizar a comparação entre as concepções na matriz da decisão apresentada no quadro a seguir.
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Concepção A
Concepção B
Concepção C
Concepção
Confiabilidade
-
-
S
0
Ergonomia
S
S
S
0
Estética
+
+
S
0
Segurança
+
S
S
0
Padronização
-
S
S
0
Manutenção
-
+
-
0
Transporte
+
-
-
0
Montabilidade
-
+
-
0
Disponibilidade de material
-
-
-
0
Organização
S
-
S
0
Acessibilidade
-
S
+
0
Movimento linear
S
S
-
0
Dimensões
S
+
+
0
Modularização
-
S
S
0
Peso
+
S
-
0
Baixo custo
-
-
-
0
Baixa vibração
-
+
+
0
Rede 220 V
S
-
S
0
Total (+)
4(+)
5(+)
3(+)
0
Total (-)
9(-)
6(-)
7(-)
0
-5
-1
-4
0
Critério
Total Global
QUADRO 8 – Matriz de decisão (método de Pugh)
A análise do método de Pugh relaciona o quanto uma concepção atende melhor a lista de critérios quando comparada com na matriz, isso é determinado pelo número de valores (+) e valores (-) listados na linha Total (+) e na linha Total (-) respectivamente. A soma das linhas com os valores positivos e negativos gera um número apresentado na linha Total Global, que caso seja negativo significa que a concepção apresenta um nível de satisfação de critérios menor que a concepção de.
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Caso o resultado seja zero, tanto a concepção avaliada quanto a de apresentam desempenho geral semelhante. Com um resultado positivo no Total Global, concluise que a concepção alternativa possui um potencial superior ao da concepção de em relação ao cumprimento dos critérios avaliados na matriz da decisão. Os resultados apresentados no quadro anterior demonstram que a concepção adotada como referência para a matriz da decisão possui uma melhor satisfação dos requisitos dos clientes e que, portanto ela passa a ser a concepção adotada como modelo para o desenvolvimento técnico do projeto a partir desse ponto. 2.2.3 APRESENTAÇÃO CONCEPÇÃO ADOTADA Determinada a melhor concepção, a próxima etapa no desenvolvimento do projeto é descrever a importância de cada componente ou dispositivo bem como o método que utiliza para satisfazer a função global do produto. Essa etapa permitirá a equipe de projeto relacionar as qualidades, limitações e atributos que serão essenciais para familiarizar os princípios de solução que foram selecionados com as restrições presentes no projeto. 2.2.3.1 MODELO ELETROELETRÔNICO A concepção adotada para o módulo eletroeletrônico partiu da escolha de elementos cujo funcionamento procura atender necessidades dos clientes, porém atendendo uma relação de custos, estabelecidas na fase do projeto informacional. No que diz respeito à função suprir energia a equipe de projeto optou por usar um transformador, que ocupe pouco espaço, mas que atenda a demanda de corrente do sistema. O principio básico de funcionamento do transformador, atua na alteração dos níveis de tensão baseados na relação entre o número de espiras presentes no enrolamento primário e secundário. Em virtude da arquitetura do modulo eletro eletrônico, surge à necessidade implementação de novos subsistemas com o objetivo de garantir o funcionamento dos circuitos e componentes utilizados na concepção adotada. Um desses exemplos é a utilização de uma fonte de alimentação de cinco volts para o microcontrolador
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que exige a necessidade de um circuito pra regular o sinal de tensão provenientes do transformador. Para dissipar a energia não utilizada integralmente pelo sistema, que na maioria das é vezes convertida na forma de calor, fato que poderia trazer prejuízos para o funcionamento do produto, a solução encontrada foi à implementação de um
cooler com o objetivo de gerar uma ventilação forçada para o sistema. A função de controle tem o objetivo de gerenciar a ações necessárias para que o sistema execute comandos como determinar movimentos, acionamento dos sistemas de emergência, repassar informações o operador entre outras atividades exigidas pela unidade de movimentação linear. Para executar essa função é necessária a existência de um componente com a finalidade de captar sinais, interpretá-los e tomar decisões baseadas em parâmetros predefinidos, essa função é atribuída ao micro controlador Atmega 328. Quando se trata em coordenar a movimentação, ou seja, definir os limites ao movimento, bem como posicionar a unidade de movimentação de acordo com os comandos enviados pelo operador é necessário que o sistema possua um dispositivo capaz de informar o posicionamento de um determinado componente e relação a sua estrutura de fixação para que o micro controlador execute a parada do movimento a fim de evitar a colisão entre as partes envolvidas no processo. O sinal enviado e originário do fechamento de contatos elétricos de uma chave de fim de curso, que é acionada mecanicamente quando um corpo exerce uma força de deslocamento sobre uma haste posicionada na lateral do sensor. O controle de movimentação não inclui apenas a identificação dos limites de curso, mas também a posição ocupada pela mesa de deslocamento em qualquer um dos pontos de sua trajetória. Para que micro controlador determine a posição real da mesa é necessário que alem de identificada a posição de home por um sensor mecânico, é preciso gerar um sinal em forma de pulso eu quando contabilizados informam a quantidade de deslocamentos sucessivos entre cada pulso, essa necessidade pode ser atendida pela utilização de um encoder. Uma das desvantagens do sistema de comando adotado é o fato dos sinais emitidos para o controle de outros dispositivos possuírem uma baixa potência de saída. Esse inconveniente exige a presença de um circuito intermediário capaz de
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utilizar os comandos de baixa corrente e baixa tensão para manipular sinais de saída capazes de suprirem as necessidades energéticas de elementos que consomem altas correntes. Nesse cenário de inter faciamento entre o sistema de controle e os dispositivos de acionamento surge à presença de drive, cujo função além de garantir o funcionamento do motor de passo com base nos comandos do micro controlador e de garantir a segurança de isolamento entre os circuitos de alta e baixa tensão do sistema. Como o objetivo principal do produto é movimentar- se linearmente, esta ação é realizada por um dispositivo conhecido como motor de passo, um componente preciso e referenciado para utilização em vários projetos, cujo principal função e gerar rotação através de acionamento por sistemas digitais. Garantida a escolha de todos os componentes funcionais do modelo eletro eletrônico, a próxima etapa e descrever o funcionamento de cada um deles neste projeto, o que fica por responsabilidade do projeto preliminar abordado no próximo capítulo. 2.2.3.2 MODELO MECÂNICO Assim como o modelo eletroeletrônico, a parte mecânica do projeto também passou por um processo de avaliação, visando buscar soluções para a realização das funções adquiridas por meio dos requisitos dos clientes, que representa a base de decisões do projeto. Para que o produto tome forma, é necessário que este tenha uma estrutura que além de caracterizar o projeto, também possa sustentar todas as suas partes funcionais. Tal estrutura será construída a partir da utilização de perfis de alumínio, pois trata se de um ótimo material, com um peso relativamente baixo em relação a materiais como aço e com uma grande resistência a fatores externos que possam levar a danificação do material. A fixação dos elementos estruturais é atribuída pela utilização de elementos chamados de cantoneiras, que proporcionaram a solides do corpo do produto. Tratando–se de um produto que envolve uma parte eletrônica que por sua vez, possui uma estrutura com a presença de muitos componentes extremamente frágeis, por esse motivo é necessário o desenvolvimento de um cabinete metálico
50
que possa abrigar tais estruturas, impedindo que estas sofram qualquer contato com elementos ou ações cotidianas que possam danificadas. Já os elementos condutores, como fios e cabos serão envolvidos por uma esteira porta cabos, que permitirá a estes além da sua proteção, uma maior flexibilidade e segurança ao sistema e para aqueles que estiverem em contato com o mesmo. A função de guiar o movimento será realizada por um conjunto de guias lineares e patins, sendo que as guias ficaram fixadas aos perfis de alumínio, criando uma superfície para o deslizamento dos patins acoplados a mesa de movimentação, proporcionando assim o movimento desejado. Alem de dispor de um dispositivo que forneça a limitação do movimento eletronicamente, caracterizado pela utilização de sensores, que como função enviar um sinal ao micro controlador informando a este que o movimento chegou ao seu fim, o produto também tem uma maneira mecânica de interromper este movimento, através de um parafuso que não permite que a unidade de movimentação avance este ponto determinado com o fim de curso. Um importante sistema, que acoplado ao motor permite a este um maior torque, ou seja, uma maior força de torção é conhecido por redução, que neste projeto será realizado por um conjunto de polias e correia. Essas polias serão acopladas aos seus respectivos eixos por meio de um ajuste sobre pressão, evitando assim a utilização de um terceiro elemento de ligação. Para finalizar as funções da parte mecânica, vale ressaltar que esta também vai abrigar elementos com a função de sinalizar o funcionamento do produto. Esta sinalização será de responsabilidade de um conjunto de LEDs, que variando seu estado índia se o sistema esta em operação ou não. Para garantir a integridade do operador serão utilizadas ainda faixas que sinalizarão os riscos oferecidos pelo sistema, evitando assim possíveis acidentes. 2.2.4 AVALIAÇÃO DA CONCEPÇÃO ADOTADA Finalizada a etapa do projeto conceitual a equipe de projetistas tem como resultado ou saída da fase a concepção do projeto que é um importante passo para formulação do produto ser fabricado. Utilizando todas as ferramentas de avaliação de atributos de projetos, podemos definir soluções para cada uma das funções do
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produto, e o mais importante que estas soluções expressam todas as necessidades estabelecidas pelos clientes. Assim como tudo na área de projetos, a concepção aqui desenvolvida também possui seus pontos positivos e negativos. Os pontos positivos são muito satisfatórios, visto que o produto apresenta um peso baixo, e de acordo com as relações de custo estabelecidas pela equipe se obtém um baixo custo envolvido na sua construção, ressaltando que muitos materiais são disponibilizados pela instituição de ensino o IFSC. Já os pontos negativos esta atribuído ao aumento do número de componentes que serão utilizados para realizar uma determinada função, haja visto que no mercado existem componentes que por si só realizam essas funções. Como por exemplo, ao invés de utilizarmos um conjunto de polias e correia sincronizada para a função de redução, poderíamos utilizar um redutor planetário que faria sozinho o que três elementos fazem juntos, porém seu custo é alto e não há disponibilidade deste elemento na instituição.
3 PROJETO PRELIMINAR Definida a concepção do projeto, a próxima etapa no desenvolvimento do trabalho consiste no estabelecimento do layout final do produto e a determinação de parâmetros técnicos e econômicos, a esta fase se da o nome de projeto preliminar. Como principais atividades desta fase, temos o a identificação de fatores importantes para preparar o produto para sua fabricação. Estes fatores se caracterizam, por exemplo, pela definição do tipo de material que será utilizado em cada uma das partes do produto, dimensionamento das estruturas construtivas e de seus componentes sejam eles externos ou internos, os tipos de elementos de fixação, os processos de fabricação envolvidos, tolerâncias, cálculos para definir as forças ou outras variáveis envolvidas no funcionamento do produto, definição de fornecedores entre outras. Efetuadas todas as atividades, a equipe de projeto deve se reunir com o objetivo de definir os custos do projeto, ou seja, estabelecer uma relação de componentes mecânicos ou eletrônicos que devem ser adquiridos, analisar o quanto será gasto com sua compra e se o montante se adapta as relações de custos proposta pelo grupo. Vale ressaltar a presença da intuição de ensino no fornecimento de materiais, visto que alguns estão disponíveis nos laboratório.
3.1 ESTRUTURA ELETROELETRÔNICA A estrutura eletroeletrônica da unidade de movimentação precisa atender a requisitos
que
caracterizam
este
tipo
de
produto,
conseqüentemente
seu
desenvolvimento parte da necessidade de circuitos e componentes que passam garantir além do acionamento de uma fonte de movimento (motor) o controle sobre a sua velocidade e sentido de rotação, baseando-se é claro em pontos referenciais que permitem ao sistema identificar uma posição em seu curso de trajetória. O aprofundamento dos princípios adotados para construção da concepção escolhida na fase de projeto conceitual engloba uma abordagem técnica do seu funcionamento e como conseqüência o aparecimento de elementos periféricos ao sistema. Esses elementos periféricos são responsáveis por integrarem as soluções em um único layout de projeto permitindo que suas funcionalidades possam ser adaptadas e utilizadas para cumprir o funcionamento da unidade de movimentação linear. A inclusão de novos componentes que não estão citados no projeto conceitual é, portanto um complemento necessário para união dos princípios de solução encontrados para o problema de projeto. Entre as ferramentas utilizadas auxiliar na elaboração e testes dos circuitos eletrônicos destaca-se o software licenciado Proteus1 versão 7.6, disponibilizado nos laboratórios da instituição para o desenvolvimento de esquemáticos e simulações no ambiente ISIS e para a elaboração de layouts para placas de circuito impresso no aplicativo ARES. 3.1.1 FUNÇÃO SUPRIR ENERGIA O fornecimento de energia para o sistema é considerado um ponto crítico do projeto, pois grande maioria dos componentes presentes no modulo eletroeletrônico dependem de uma fonte de alimentação para executarem seu funcionamento. As soluções encontradas para suprir essas necessidades energéticas e garantir que os processos envolvidos em sua adequação (alteração dos níveis de tensão e corrente 1
Proteus 7.6, ISIS e ARES são marcas registradas da Labcenter Electronics, todos os direitos são reservados.
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ao longo do circuito) não apresentam resultados negativos sobre os demais componentes. 3.1.1.1 FORNECER TENSÃO Considerando os dispositivos e componentes eletroeletrônicos que constituem a unidade de movimentação e necessitam em algum momento de serem alimentos para que possam executar suas funções, a concepção adotada possui as seguintes necessidades de suprimento de energia: a) 5V CC para alimentação do microcontrolador; b) 5V CC para alimentação de LEDs; c) 5V CC para alimentação do encoder; d) 5V CC para alimentação do cooler; e) 18V CA para alimentação do drive do motor de passo. Em comuns com todas as demandas apresentadas anteriormente tem-se o fato da fonte primária de energia ser a rede de alimentação local, que no Brasil segue os padrões de tensão com 110 ou 220 volts e corrente do tipo alternada com frequência de 60 Hz. Nesse caso fica evidente a necessidade de um sistema de adequação para que os componentes e dispositivos que utilização uma tensão continua de 5V possam ser alimentados pela rede local. Dentro do circuito responsável por disponibilizar uma saída de cinco volts, o primeiro dispositivo utilizado para redução da tensão é o transformador. Os trafosoutra denominação utilizada para transformadores- são elementos constituídos por um núcleo magnético comum a duas bobinas, nessa situação se diz que os enrolamentos são mutuamente acoplados, segundo David E. Johnson (1994, p. 412) em uma passagem de corrente em um dos enrolamentos, no caso devido a sua ligação na rede de 220V, produz uma tensão induzida no outro enrolamento que será proporcional a relação entre o número de espiras presentes em cada uma das bobinas, representada pela equação a seguir:
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V2 N1 V1 N 2
(1)
Em que: e e
- tensões no secundário e primário, respectivamente; - número de espiras do secundário e primário, respectivamente.
A denominação dos enrolamentos em primário e secundário referencia o enrolamento de entrada que se liga a rede local e o enrolamento de saída que disponibiliza um valor do sinal de tensão e correntes diferentes. O Trafo disponibilizado para o projeto possui três fios que estão ligados ao enrolamento primário, e três fios conectados a saída da bobina secundaria como pode ser conferido no esquemático da figura a seguir:
FIGURA 12 – Esquemático de ligação do trafo 9+9V.
No esquemático da figura 12 nota-se o isolamento do fio amarelo, em um circuito tradicional este fio estaria ligado a uma chave que comutaria a ligação da rede para apenas um dos dois estágios da bobina primaria caracterizando um circuito preparado para uma alimentação na tensão de 110V. Contudo, na condição de uso didático essa possibilidade de ligação é suprimida para preservar o trafo de incidentes, geralmente destrutivos, provenientes de seleção errônea da tensão de alimentação em alguma etapa do projeto construtivo ou em uma ocasião de utilização. O enrolamento secundário possui uma terminação ou tomada central representada pelo fio preto o que possibilita a divisão do potencial elétrico presente entre as extremidades da bobina, essa característica define a nomenclatura do trafo
56
como sendo 9+9V. Entre cada um dos fios verdes e o preto existe uma tensão de nove volts com comportamento do tipo senoidal e entre os dois fios verdes uma tensão dezoito volts. Uma análise da equação 1 revela por dedução que o número de espiras no enrolamento secundário é menor que o número presente no enrolamento primário, esse tipo de transformador recebe o nome de trafo abaixador, pois diminui o valor da tensão de entrada para níveis menores na saída. Contudo essa redução não é suficiente para aplicação nos circuitos consumidores devido ao fato da tensão proveniente do trafo ser do tipo alternado. Além do valor do potencial elétrico ser o mais próximo possível dos cinco volts exigidos seu comportamento precisa ser um sinal do tipo contínuo, objetivo alcançado com uso do circuito eletroeletrônico apresentado na figura 13:
FIGURA 13 – Esquemático da fonte de 5V.
O circuito apresentado acima realiza a retificação do sinal senoidal, diminuição da oscilação e por último estabiliza a tensão para um valor continuo, utilizando para isso os seguintes componentes: a) J1: Borne do tipo BR003A (anexo A) de duas vias responsáveis por transmitir energia proveniente do estágio secundário do trafo abaixador para os demais componentes do conjunto. O terminal um e dois do borne são conectados ao fio preto e ao fio vermelho, não importando sua ordem de ligação.
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b) J2: Borne cujo funcionamento é análogo a J1, porém atua como saída para a tensão já estabilizada, sendo o terminal 1 o ponto com potencial de 5V, os terminais 2 e 3 ligados a referência (0V ou GND). c) J3: Borne de saída para tensão de cinco volts, porém com tipo de conector diferente, sua função é de alimentar o cooler responsável pela refrigeração do sistema. d) C1: capacitor do tipo eletrolítico responsável por diminuir o ripple (ondulação) dos semiciclos positivos retificados pelos diodos evitando quedas bruscas de tensão após os picos dos semiciclos; e) C2: Capacitor de polipropileno que filtra ruídos presentes na saída dos reguladores de tensão e também evita quedas bruscas de tensão quando são ligadas cargas à fonte de alimentação; f) D1 a D4: Diodos retificadores que tem como função realizar o isolamento dos semiciclos positivos do sinal senoidal proveniente do secundário do trafo. Sua montagem - com quatro diodos - é conhecida como ponte retificadora de onda completa; g) D5: LED (um tipo e diodo que emite luz visível) de cor vermelha que indica a presença de uma diferença de potencial na saída do regulador de tensão, subentendendo que a fonte de alimentação está ativa. h) R1: resistor cuja função é limitar a tensão e a corrente sobre o LED até os níveis permissíveis seu funcionamento, garantindo a vida útil e a segurança do componente; i) U1: Circuito integrado LM7805 responsável pelo ultimo estagio de estabilização da tensão e por regular a tensão para cinco volts. Seu encapsulamento possui três terminais para entrada (1), GND (2) e saída para a tensão estabilizada (3); A fonte possui um papel relativamente importante no produto, pois além de alimentar a maioria dos componentes (com exceção do circuito de potência) fornece a tensão necessária para o funcionamento do microcontrolador que é um elemento fundamental para o funcionamento da unidade. Por este motivo a fonte deve fornecer independente das condições de consumo, uma tensão constante e
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estabilizada. Então, para o dimensionamento da fonte foram considerados alguns requisitos definidos pela equipe de projeto com base na análise do restante do circuito, entre eles uma meta para o fornecimento de corrente na ordem de 500 mA. Este valor foi calculado com base na quantidade de componentes alimentados por esta fonte de tensão de cinco volts considerando a corrente consumida por oito LEDs (80 mA), a corrente consumida pelo microcontrolador em uma situação hipotética de consumo extremo onde seis saídas forneceriam a corrente em valor máximo (40 mA cada uma), a corrente de 120 mA drenada pelo cooler e mais a corrente consumida pelo sistema de encoder totalizando uma demanda de corrente de 360 mA. Considerando ainda a inclusão de novos componentes em possíveis modificações adicionou-se uma margem de 8% a mais na corrente calculada para atuar como faixa de segurança totalizando o valor meta de fornecimento para a fonte. Em projetos didáticos é comum ocorrer à fabricação em placas separadas de um tipo de circuito dedicado a determinada função, assim a fonte de alimentação possuirá uma placa individual que a manterá isolada do circuito restante sendo sua comunicação realizada apenas por meio dos fios instalados entre os conectores de entrada e saída como pode ser observado na figura2 a seguir:
FIGURA 14 – Layout da placa para a fonte de 5V.
2
A representação desta e das demais placas não estão apresentadas em escala real
59
A figura ilustra a visualização da placa ao final do processo de modelagem no software onde e possível distinguir as trilhas (traços em azul escuro) que realizam as ligações entre os componentes do circuito. O espaço que não apresenta trilhas é preenchido pela ―malha terra‖, uma zona que esta conectada ao ponto de tensão de referência do circuito (GND) e tem a mesma função das trilhas que é de conduzir os sinais elétricos, porém com as dimensões de largura e comprimento limitadas pelo
layout de montagem dos demais elementos. Na parte superior da placa é possível notar junto ao regulador de tensão (componente U1) o desenho com hachuras em azul claro, ele representa a área ocupada pelo dissipador selecionado para este layout de placa e os círculos localizados no centro dos retângulos maiores a furação para os parafusos que iram fixar o corpo do dissipador à placa, evitando forças resultantes sobre os terminais do regulado 7805. É importante ressaltar que essa representação do dissipador não existe nas bibliotecas do software de design, porém graças as ferramentas gráficas a equipe pode desenvolver esse layout de componente com exclusividade para o projeto. Para uma melhor projeção da montagem dos componentes à placa após o processo de fabricação utilizou-se o recurso de visualização em três dimensões realizado pelo software. Esse recurso ajuda o projetista na distribuição dos elementos sobre a placa alem de evidenciar possíveis colisões entre os componentes do circuito como pode ser observado na figura 15:
FIGURA 15 – Layout 3D da placa para a fonte de 5V.
60
Na visualização em três dimensões da fonte de 5 volts é possível identificar os bornes de entrada e saída, que são os cubos verdes localizados a direita e a esquerda respectivamente. A parte superior da placa, logo a acima do capacitor eletrolítico (componente circular no centro) está destacada uma área em amarelo que corresponde ao espaço destinado ao dissipador de alumínio que se une aos encapsulamento do regulador de tensão por meio de um parafuso. 3.1.1.2 DISSIPAR O processo de regulação da tensão utilizado na fonte de alimentação tem como característica o uso de um valor de entrada acima do valor nominal de saída nos terminais do CI regulador, segundo o fabricante essa discrepância é necessária para que o componente possa obter uma saída constante mesmo que ocorram picos de tensão na entrada do regulador. Como os valores que entram no regulador são maiores que os de saída, isso significa que parte da energia precisa ser redirecionada para algum lugar, os valores de tensão excedentes são então dissipados na forma de calor pelo componente. A capacidade de irradiar esse calor esta diretamente relacionada com a área responsável pelo contato entre o componente o ambiente. Embora a maioria dos componentes eletroeletrônicos seja construída tendo como base o silício, um material com ponto de fusão muito acima dos 150°C recomendados pelos fabricantes, as características elétricas fazem com que caso a temperatura ultrapasse valores seguros o semicondutor seja destruído. Para que ocorra a manutenção da temperatura são aplicados dispositivos e técnicas capazes aumentarem o fluxo de energia que é dissipada durante o funcionamento de um equipamento eletroeletrônico, sendo a utilização de dissipadores a mais comum. Entre as formas de dissipação que atuam sobre um dissipador, a que apresenta maior influência no processo térmico é a por convecção, que ocorre pela movimentação do ar que circunda o componente e pode ser relacionada pela seguinte equação:
61
Q h. A.(Ts Tf )
(2)
Onde:
Q - Taxa de calor dissipada [j/s];
h - Coeficiente individual de transporte de calor;
A - Área do dissipador; Ts - Temperatura da superfície; Tf - Temperatura do ar circundante.
Segundo a equação (2) as maneiras possíveis para que ocorra o aumento da taxa de calor irradiada o que consequentemente reduziria a temperatura do componente seria aumentar a área de contato do dissipador, o aumento do coeficiente individual de transporte de calor, uma variável relacionada com a geometria do dissipador ou pela passagem forçada de ar entre as aletas do dissipador reduzindo a temperatura do ar circundante. Como a maioria dos sistemas mecatrônicos prioriza o uso soluções compactas e pelo fato de outros elementos da unidade de movimentação também apresentarem dissipação de calor, como nos drive de acionamento, optou-se por incorporar um
cooler (figura 16) ao sistema eletroeletrônico
ao
invés
de
aumentar
dimensionamento dos dissipadores já existentes ou disponibilizados pela instituição.
FIGURA 16 – Cooler.
o
62
O cooler atua como um exaustor que força um fluxo da parte interior do gabinete para a atmosfera, como a pressão interna passa a ser menor que a existente no exterior do sistema, a tendência natural e que o ar entre pelas aberturas existentes no recipiente. O posicionamento estratégico das aberturas de ventilação permite então estabelece uma corrente de fluxo interna que renova constantemente o ar em contato com a superfície dos dissipadores, reduzindo a sua temperatura de operação. 3.1.2 FUNÇÃO CONTROLAR A função de controle tem como objetivo particular gerenciar as ações do sistema com base em valores e ações predefinidos bem como no sensoriamento em tempo
real
de
algumas
variáveis
relacionadas
à
movimentação
linear.
A
responsabilidade de realizar essa ação foi atribuída ao microcontrolador da Atmel3, empresa líder mundial no projeto e fabricação desse tipo de componente. A Atmel possui uma ampla gama de produtos disponíveis para utilização em praticamente todos os dispositivos e projetos existentes no mercado, adequando-se a diversas aplicações que exigem o controle de dados e processos. Atualmente são oferecidas soluções baseadas em: a) Soluções AVR - Atmel AVR
são microcontroladores de 8 e 32 bits que
oferecem uma combinação única de desempenho, eficiência de energia, e flexibilidade de design. São baseados em uma arquitetura que facilita a programcao em linguagem C e em liguagem Assembly, melhorando sua adaptacao em novos projetos. A ampla familia AVR facilita a reutilização de conhecimento ja aplicados em microcontroladores para melhorar seus produtos e expandir seu produtos para novos mercados. b) Soluções baseados em ARM - Atmel oferece uma grande variedade produtos lidederes de utilizacao na industria como os microcontroladores ARM de 32 bit
AT91SAM. Os
podem satisfazer as necessidades de
virtualmente qualquer dispositivo ou mercado. Flexível e altamente
3
Atmel, AVR, megaAVR e Atmega são marcas registradas da Atmel Corporation, todos os direitos reservados.
63
integrado, soluções Atmel baseados em ARM são projetadas para otimizar o sistema de controle, conectividade com e sem fio, gerenciamento da interface do usuário, consumo e facilidade de uso. c) MCU Wireless – A empresea oferece uma gama de produtos baseados no protocolos IEEE 802.15.4 e ZigBee, que garante uma certificaçao para sua de soluções sem fio. Eles são baseados na família Atmel AVR e microcontroladores AMR ricos de transceptores de Radio Frequencia. d) Arquitetura 8051- Atmel possui um rico portfólio de microcontroladores com base no conjunto de instruções 8051, combinando uma tecnologia comprovada e testada com os mais recentes recursos e funcionalidades. Os desenvolvedores podem escolher a partir de microcontroladores de 8 bits baseado no núcleo de único ciclo AT89LP, bem como o MCS-51, padrão da indústria, todos os dispositivos com tecnologias avançadas em Flash. Dentro da gama de microcontroladores AVR, a Atmel oferece a família megaAVR, uma série que apresenta características capazes de serem aplicadas em projetos que exigem instruções quantidades de códigos e processamento mais elevados. Entre as vantagens do Atmega estão: a) Ampla família - megaAVR oferece aos clientes uma ampla seleção de dispositivos em termos de memórias, conta pino e periféricos, permitindo a reutilização de código e conhecimento entre os projetos. b) Tecnologia picoPower – Prove ao megaAVR características de baixíssimo consumo de energia graças aos modos de baixo consumo e sleep, que o tornam ideal para aplicações com bateria ou onde a economia de energia é critica. c) Alta integração - Os recursos megaAVR incluem flash on-chip, SRAM, EEPROM interna, SPI, TWI e USART, USB, CAN e LIN, escolha do oscilador interno ou externo, e pinos de I/O para propósito geral. O elevado nível de integração permite que os projetos com menor número de componentes analógicos externos.
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d) Funções análogas - capacidades analógicas avançadas, como a ADC, DAC, sensor de temperatura e tensão de interno, um comparador analógico rápido e um amplificador de ganho programável analógico. e) Rápido desenvolvimento - megaAVR acelerar o desenvolvimento com a programação de microcontroladores no sistema e depuração on-chip. Além disso, seu método de programação facilita a programação durante o processo de montagem e produção do projeto. Por estas vantagens e pela familiaridade alcançada durante as aulas da disciplina de Sistemas Digitais, a equipe de projeto optou pelo uso de um dos microcontroladores da família AVRmega, o
modelo Atmega 328P apresentado na
figura abaixo:
FIGURA 17 – Atmega 328P e seu esquemático
O Atmega 328P possui um encapsulamento do tipo DIP 28, numa menção os 28 pinos para este tipo de circuito integrado. Os terminais do tipo PB de PB0 a PB7 pode ser utilizadas como portas digitais de entrada ou saída, dependo das configurações utilizadas para realizar o clock do microcontrolador as portas PB6 e PB7 podem servir de entrada e saída para um oscilador, porém cada pino pode assumir uma função especifica dependendo das configurações utilizadas. As portas de PC0 até PC5 atuam como pinos I/O (do inglês input = entrada e output = saída) do tipo analogias, ou seja, consegue realizarem leituras dos valores
65
presentes entre os níveis de tensão digitais zero ou cinco volts, embora possam ser programas apenas como canais digitais. A porta PC6 caso o comando RSTDISBL do microcontrolador não esteja programado, o pino é usado como reset, e não pode ser utilizado como pino I/O. Os pinos conectados as portas PD0 a PD7 atuam como saídas e entradas digitais sendo que o pino PD0 também atua como receptor de dados (RXD) e o pino PD1 (TXD) como conexão para saída de dados do microcontrolador para periféricos externos. Os pinos PD3, PD5, PD6 e os pinos PB1, PB2 e PB3 possuem ainda o recurso de atuarem como saída para a função PWM. A configuração básica de montagem do Atmega 328P inclui apenas alguns componentes necessários como pode ser observado no esquemático a seguir:
FIGURA 18 – Esquemática do circuito contendo o microcontrolador
No esquemático acima estão incluídos os componentes que fazem parte da placa que conterá o microcontrolador e atuam para que ocorra a sua alimentação, programação e comunicação com os circuitos periféricos, sensores e acionadores. Uma breve descrição dos elementos presentes no esquema e suas funções estão relacionadas abaixo:
66
a) J1, J2, J3 e J4: são bornes do tipo BR03 que realizam a conexão entre os pinos I/O do microcontrolador e os fios condutores que trazem sinais de outras placas ou sensores e também as informações enviadas aos atuadores (drive e LEDs de sinalização); b) J5: atua como porta para a placa externa de comunicação serial e gravação do microcontrolador; c) J6: borne para entrada de alimentação de cinco volts; d) C1 e C2: capacitores que atuam juntamente com o cristal para fornecer o sinal de clock para o microcontrolador; e) C3: o pino AREF é uma referência externa de tensão para o conversor de sinais analógico-digital do microcontrolador e C1 tem a função de atuar no aumento da imunidade contra ruídos no sinal aplicado nesse pino; f) D1: Para indicar que a placa está recebendo tensão da fonte de alimentação este led permanece acesso; g) R1: resistor que mantém o sinal na porta PC6 em nível lógico alto quando o circuito de reset está ligado ao pino; h) R2 e R3: resistores que limitam os valores de corrente nos pinos RXD e TXD utilizados para comunicação seria do microcontrolador. Podem ser eliminados caso o módulo de programação já possua estes componentes; i) R4: limita a tensão e a corrente para o Led que indica a alimentação da placa; j) S1: chave do tipo buttton que ao ser pressionado leva o pino PC6 para nível lógico baixo e caso sua duração seja maior que um ciclo de pulso ira gerar um reset no sistema; k) U1: microcontrolador Atmega 328P; l) X1: é um cristal piezoelétrico que gera uma frequência de oscilação utilizada pelo microcontrolador para configurar intervalos de tempo. A elaboração do circuito apresenta certo grau de exclusividade para o projeto, pois como o produto visa atender requisitos como baixo custo, algumas das funcionalidades do microcontrolador são suprimidas para a fim de simplificar o circuito, diminuir o número de componentes e reduzir os processos e materiais
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utilizados
na
fabricação.
Estas
características
justificam,
por
exemplo,
a
disponibilização de 12 portas das 23 portas I/O possíveis de serem utilizadas no Atmega 328P. A organização dos conectores para essas entradas e saídas, além dos outros componentes apresentados anteriormente pode ser observa na figura a seguir que traz o layout elabora para a placa do microcontrolador.
FIGURA 19 – Layout da placa para o Atmega 328
A placa trás como características dimensionais um comprimento de aproximadamente de 75 mm e uma largura cujo valor estimado em 38 mm é igual ao da placa da fonte de alimentação de cinco volts, que além de garantir uma compatibilidade estética entre as placas permite o alinhamento entre o conector de saída da fonte e o conector de entrada de alimentação da placa do microcontrolador, fato que reduz a utilização dos condutores que interligam as placas. Assim como apresentado no layout da fonte de alimentação, a placa do microcontrolador também utilizou em sua estratégia de projeto a visualização 3D para garantir uma melhor percepção da distribuição dos componentes, apresentados na figura 20:
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FIGURA 20 – Layout 3D da placa para o Atmega 328P
3.1.3 FUNÇÃO LIMITAR Promover a movimentação da unidade é um das funções fundamentais do projeto, já que o principal objetivo é obter um deslocamento em uma trajetória linear, contudo são necessários parâmetros que definam as etapas e comandos que o sistema necessita para executar esta função. O objetivo de limitar a movimentação não é necessariamente, no contexto do projeto, impedir que as partes móveis realizem seu deslocamento, mas sim garantir que essa mudança de posicionamento não conduza a uma situação de risco onde as limitações do sistema estejam fora do controle do operador ou do circuito de comando. 3.1.3.1 DETERMINAR HOME Para o controle digital de movimentação de uma máquina são necessários alguns parâmetros iniciais para que o sistema crie uma referência que atue como ponto de origem para o processo de deslocamento. Em outras palavras é necessário informar ao microcontrolador qual a posição em que a mesa da unidade encontra-se durante a partida inicial de funcionamento. Determinar um ponto de origem para um
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sistema de movimentação é informar ao controlador que as partes móveis estão situadas em uma posição conhecida zero máquina ou home. Efetuar a função home significar enviar um comando que ira realiza uma movimentação da unidade até um ponto onde um sensor ativo indicará ao microcontrolador quando for atingida a posição de home. Ao final da ação será definido o ponto de origem para as relações de deslocamento que são exigidas pelo programa em execução. O sensor que possui a responsabilidade de informa a posição de home ao microcontrolador é uma chave de fim de curso mecânico (figura 21) da marca ZE que possui três terminais elétricos. Um deles corresponde ao comum, em sua aplicação no projeto ele está conectado permanentemente ao GND do sistema elétrico, embora em outras aplicações este terminal possa ser ligado ao Vcc ou Vca.
FIGURA 21 – Chave de acionamento mecânico
Os demais terminais correspondem ao NO (normalmente aberto) por onde não ocorre a passagem tensão devido ao fato de não haver a proximidade entre os contatos elétricos desse terminal e o comum e ao NC (normalmente fechado) por onde há um circuito que permite a ligação entre o terminal NC e o comum devido à ligação física entre os contatos elétricos de cada terminal. Na parte superior da chave apresentada pela figura 21 está localizada uma alavanca metálica que ao sofrer um esforço resultante da aplicação de uma força aplicada em sua extremidade livre provoca a movimentação de um pino (detalhe vermelho entre a alavanca e o corpo da chave) que ira deslocar um contato elétrico móvel provocando a inversão de estado do terminal NC que passara a ser aberto e
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do terminal NO que se interligara ao comum. A partir do momento de a força sobre a alavanca cessa uma mola interna realiza o retorno dos contatos elétricos na situação de equilíbrio quando NC bloqueia e NO permite a passagem da tensão. 3.1.3.2 DETERMINAR FIM DE CURSO Determinar o ponto de origem para servir de referência o microcontrolador permite ao programa definir os comandos que serão efetuados entre cada etapa do deslocamento. Quando o ponto de home é definido, é possível, por exemplo, estipular o máximo deslocamento em cada um dos sentidos de movimentação da mesa a fim de prevenir uma possível colisão entre as partes envolvida e também o travamento súbito do sistema de transmissão. Como as conseqüências relacionadas ao extrapolamento do curso efetuado pela mesa poderiam provocar além da perda de sincronismo do sistema, uma danificação dos componentes mecânicos, é de praxe agregar junto à determinação da posição de home, os limites de movimentação linear executada pelo equipamento. Assim como ocorre no sensoriamento da posição de home, as chaves de contato mecânico também podem ser utilizadas pelo microcontrolador para informarem o momento que a mesa intercepta uma coordenada próxima ao limite máximo permitido. É importante ressaltar que as chaves de fim de curso atuam de maneira preventiva, evitando a ocorrência de situações que possam oferecer algum risco ao operador ou ao equipamento, constituído dessa forma além de uma referência de posicionamento, um dispositivo de segurança importante para o funcionamento sistema. Cada sensor de fim de curso será instalado próximo as extremidades da estrutura para que ao se aproximar do limite de movimentação, a mesa efetue o acionamento da alavanca que acionara o chaveamento interno dos contatos elétricos que conectaram a(s) entrada(s) do microcontrolador ao GND, permitindo ao circuito lógico interpretar a informação enviada por uma das configurações apresentadas na figura abaixo:
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FIGURA 22 – Circuito de ligação para chaves de fim de curso.
O projeto apresenta duas possibilidades de utilização do sistema de travamento4, que podem ser selecionados por meio de uma pequena modificação nas conexões físicas do circuito elétrico e de uma alteração na lógica de programação, dependendo das necessidades dos clientes durante a utilização do produto. Ela pode ser do tipo identificado, onde cada sensor está ligado individualmente a um pino de entrada do microcontrolador ou do tipo não identificado em que os dois sensores estão conectados paralelamente a um único pino para leitura. Os dois circuitos de acionamento proporcionam o objetivo de enviar um sinal ao controlador quando um dos limites de movimentação é rompido, porém na configuração identificada tem-se a vantagem de conhecer em qual sentido ocorreu à falha de movimentação, o que permite elaborar rotinas de programação que utilizem essa informação para estabelecer parâmetros de emergência, como por exemplo, permitir o retrocesso automático ou manual do sistema no sentido contrário. 4
Por convenção, a unidade de movimentação utiliza a opção acionamento não identificado com configuração padrão.
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Ou pode-se optar por realizar uma leitura não identificada dos sensores de fim de curso, nesse caso o cliente considera desnecessária para execução de suas atividades o conhecimento que qual dos sensores foi acionado, conseqüentemente este esquema tem a vantagem de utilizar apenas um dos pinos do microcontrolador para essa função. 3.1.4 FUNÇÃO INFORMAR POSIÇÃO O sistema da unidade de movimentação linear independe da forma de transmissão utilizada seja ela por pinhão e cremalheira ou outro dispositivo mecânico, só poderá atuar caso o software em execução possua uma referência de posicionamento. Esse posicionamento é determinado em parte pelos sensores de fim de curso e de home, contudo esses sinais são pontuais, ou seja, apenas ocorrem efetivamente quando a mesa de movimentação atinge essas posições. Fica evidente a necessidade de obter o valor do deslocamento efetuado no restante do curso oferecido pela unidade de movimentação. Uma das formas de permitir o acesso a essa informação é programar o software para realizar a contagem do número de vezes que ocorre o comando para acionamento do motor, no caso o número de steps (passos) dados pelo motor em um determinado deslocamento. Conhecendo-se a resolução do motor (o número de passo por revolução ou os graus entre cada passo) é possível determinar a quantidade de rotações que foram efetuadas para certa sequencia de comandos realizadas pelo microcontrolador. Aplicando o valor de redução entre o motor e o sistema de transmissão final, é possível, por exemplo, determinar o deslocamento angular sofrido pelo pinhão, que multiplicado pelo seu raio resulta no deslocamento linear sobre a cremalheira. Uma das vantagens de utilizar a contagem dos steps do motor esta na obtenção de uma unidade de medida para o deslocamento muito pequena, em um motor de 200 passos por revolução, significa que é possível realizar um deslocamento de 1/200 em uma volta completa, o que levaria a precisão da mesa de movimentação abaixo dos décimos de milímetro caso ela possuísse ainda uma etapa de redução entre o motor e o mecanismo de transmissão. Outra vantagem é a
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necessidade de apenas realizar a programação de contagem já que não seriam necessários componentes externos para realizarem esta tarefa. Contudo o controle de movimentação utilizando apenas a contagem dos comandos para realização dos passos do motor pode apresentar inconvenientes graves em determinadas situações. Em uma aplicação que necessite de velocidades elevadas de rotação, os motores de passo podem atingir uma frequência de giro próxima da sua frequência natural e entrarem em um regime de ressonância onde o rotor passa a vibrar ao invés de se deslocar com os pulsos enviados para as bobinas. Caso o torque resultante sobre o eixo do motor seja maior que o torque (em sentido contrario) exercido pela força de atração magnética entre as bobinas e os dentes do rotor, assim como no caso da ressonância, o motor não conseguirá executar os comandos do sistema e ―perderá‖ passos, isso ocorre tipicamente quando os valores de carga sobre o motor são muito grandes para sua capacidade ou em situações em que ocorre travamento das partes móveis. Todos esses fatores quando ocorrem induzem o sistema ao erro, pois seriam contados passos que o motor na verdade não pode realizar durante o deslocamento e o processo acumulativo desse erro teria como resultado uma excussão imprecisa da movimentação ou a parada das funções pelo acionamento de um dos sensores de limitação (fim de curso). Para possibilitar a existência de uma alternativa para o controle da movimentação realizada pela unidade foi incorporado ao projeto um dispositivo capaz de substituir o processo de contagem dos comandos de passo por um tipo de sensoriamento semelhante ao realizado pelos fins de cursos mecânicos, mas com uma atuação instantânea ao longo de todo o curso descrito pela mesa. Essa forma de monitoramento é realiza por um sistema denominado encoder. Basicamente o encoder realiza um processo de transdução (transformação de uma energia em outra de natureza diferente) do movimento linear ou rotacional em um sinal elétrico capaz de ser utilizado pelo sistema eletrônico. Numa aplicação digital, também pode converter essa informação de natureza física em uma linguagem capaz se ser interpretada por sistemas lógicos para representar uma grandeza associada ao deslocamento, velocidade ou aceleração dentro de um programa.
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O modelo clássico de encoder utiliza um disco conectado ao eixo cujo movimento deseja-se monitorar, este disco possui diversas perfurações espaçadas igualmente entre si. Alinhado paralelamente a uma face do disco é posicionado um dispositivo fotoemissor e na face oposta um dispositivo fotoreceptor, o disco por ser um corpo opaco impede que a luminosidade do emissor atinja o foto receptor exceto quando uma das perfurações permite a comunicação entre o par sensorial. O resultado é sinal semelhante a uma sequencia de pulsos alternados, que dependendo da configuração do circuito corresponde à passagem ou a interrupção da luz entre os elementos, no caso o disco perfurado e o sensor ótico semelhantes aos apresentados na figura a seguir:
FIGURA 23 – Componentes físicos do encoder.
Para aplicação no projeto foi escolhido um layout de encoder com a capacidade de fornecer sinais tanto a nível digital quanto analógico. Esse sinal pode ser uma sequencia de pulsos cujos valores máximos e mínimos correspondem respectivamente a um valor de nível lógico alto (5V) ou nível lógico baixo (0V). A mesma sequencia de pulso pode ser utilizada pelo CI LM331 para converter sua frequência em um sinal de tensão, como o valor de saída é proporcional a quantidade de pulsos em um determinado tempo é possível estipular a velocidade do de rotação do eixo. O desenho a seguir apresenta essa concepção multiuso do encoder:
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FIGURA 24 – Esquemático do circuito encoder
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O esquemático apresenta algumas características particulares e pode ser dividido em duas seções. A primeira é formada pelo CI 74LS04, um comparador com histerese (Schmitt Trigger) que coleta o sinal chaveado pelo par fotoemissor/receptor e filtra os ruídos presentes no sinal transformando-o em uma onda quadrada cujo valor da saída será 5V ou 0V. Pelo fato de ser um circuito do tipo TTL, o seu nível de saída é compatível com a linguagem digital do microcontrolador que entende o sinal como uma sequencia binária de zero e um. O restante do circuito é composto pelo CI LM 331, um conversor de sinais do tipo V-F (tensão para frequência) ou F-V (frequência para tensão) que permitirá utilizar o sinal de saída do circuito anterior para obter uma saída com tensão variável em função da frequência de pulso captada pelo sensor. O circuito ainda apresenta a possibilidade de ser alimentado com uma tensão de 7 a 12 volts, embora também atue com 5V dependendo das configurações utilizas. Permite ainda escolher a forma de alimentação do CI TTL com tensão externa ou com tensão interna fornecida pelo regulador de tensão 7805 integrado à placa. O usuário ainda pode realizar regulagem no nível de saída do LM 331 por meio de um potenciômetro de precisão e também verificar o acionamento do fotoreceptor ativando um led conectado ao sinal da saída digital, que embora o efeito seja perceptivo apenas em baixas frequências permite a verificar problemas no circuito de sensoriamento. Uma descrição mais detalhada dos componentes pode ser conferida a seguir: a) J1: permite a alimentação da parte do circuito que contem o conversor F-T por meio dos terminais um e dois. O terminal três do borne realiza a saída do sinal digital em nível lógico alto e baixo; b) J2: borne de três vias que utiliza os terminais um e dois para fornece cinco volts ao circuito TTL 7414 e permite a coleta do sinal de tensão resultante da conversão por meio do terminal três; c) J3: conector de três pinos que interliga o par fotoemissor/receptor a placa; d) J4: conector também do tipo pino que recebe um jumper para selecionar o tipo de alimentação (interna ou externa) utilizada pelo Schmitt Trigger;
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e) J5: Receberá um jumper entre seus terminais caso utilize alimentação interna ou pode ter o jumper desconectado para isolar o regulador de tensão no caso de existir uma fonte externa para os cinco volts; f) J6: Jumper que conecta o um led a saída do Schmitt Trigger e permite que ele acenda quando o sinal possui nível lógico alto. g) D1: Diodo retificador que protege o regulador de tensão contra tensões elétricas com sentido contrário a sua saída; h) D2 e D3: LEDs que informam se a placa possui alimentação e se o foto sensor está ativo, respectivamente; i) C1: Capacitor que interliga o circuito de sinal digital ao conversor frequência para tensão; j) C2: Juntamente com um resistor forma um circuito ressonador que serve como referência de intervalos de tempo para o pino RC do LM 331; k) C3: atua na estabilização do sinal de saída da tensão já convertida; l) R1, R2, R3, R4, R5 e R6: são resistores dimensionados pelo fabricante do conversor para definirem os valores de tensão utilizada como referência e os níveis do sinal de saída; m) R7 e R8: atuam respectivamente como um divisor de tensão no circuito do fotoreceptor e restringe a corrente e a tensão no fotoemissor; n) R9 e R10: são resistores que limitam a tensão e a correte para os led sinalizadores de alimentação e acionamento do encoder; o) RV1: potenciômetro de precisão que realiza o ajuste fino da tensão de saída do LM 331; p) U1: conversor F-T ou T-F LM 331; q) U2: circuito integrado 74LS14 do tipo TTL; r) U3: regulador de tensão 7805 interno, pode ser suprimindo dependendo da aplicação. A organização desses componentes na placa de circuito impresso foi desenvolvida para que as dimensões laterais fossem compatíveis com a largura padronizada das placas da fonte de alimentação e do microcontrolador, o resultado desse trabalho pode ser observado na figura 25:
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FIGURA 25 – Layout da placa para o encoder
A placa do encoder, assim como as placas anteriores, apresenta em cada extremidade um pad com diâmetro externo de aproximadamente 3,8 mm, seu propósito é sinalizar a posição do furo que ira fixar o espaçador de polímero que mantém as placas conectadas ao gabinete. Também é possível notar a direita dos bornes J1 e J2 um espaçamento considerável até a borda lateral, que embora represente um consumo maior do material de base possui um papel importante ao garantir o espaço e proteção para a conexão dos condutores, além de permitirem a fixação de adesivos para sinalizar a função de cada um dos terminais. O dimensionamento e os layouts de posicionamento dos componentes nas placas, sobre tudo a localização dos furos e dos bornes, seguem um padrão que tende a melhorar o aproveitamento interno do espaço onde as placas serão acondicionadas. No caso da placa do encoder seu valor de largura é coincidente com os encontrados nas placas da fonte e do microcontrolador que são de aproximadamente 38 mm e o valor do comprimento da placa beira os 61 mm. Os valores milimétricos não são exatos, pois as dimensões dos componentes eletrônicos encontrados no mercado são baseadas nos sistema britânico de unidade, que utiliza um submúltiplo da polegada o Mil (th) que corresponde a 0.0254 milímetros. A figura 26 apresenta uma prévia visualização de layout para a placa antes da sua confecção, vale ressaltar que alguns componentes podem apresentar uma representação real diferente do aspecto modelado pelo software quanto à altura ou
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cor do encapsulamento (exceto quando padronizados), porém todos devem possuir compatibilidade nas medidas consideradas determinantes como o espaçamento entre os terminais e o espaço lateral ocupado na face da placa.
FIGURA 26 – Layout em 3D da placa para o encoder
3.1.5 FUNÇÃO FORNECER CORRENTE O microcontrolador utiliza o sinal enviado pelos sensores para determinar, juntamente com os parâmetros definidos pelo programa em excussão as ações de comando que serão efetuadas pelos atuadores presentes no sistema. Estes atuadores podem ser desde pequenos LEDs até transdutores mecânicos como motores e cilindros pneumáticos. Contudo o Atmega 328P, assim como outros sistemas de controle de baixa potência apresenta uma limitação técnica relacionada com as características de consumo elétrico dos equipamentos que controla. Para emitir um sinal de comando o microcontrolador utiliza um pino configurado como output (saída) que consegue fornecer um sinal com até cinco volts de tensão e corrente máxima de 40 mA. Isso permite a ligação direta de um led ao seu terminal, visto que o consumo típico de um diodo emissor de luz está próximo dos 10 mA e sua tensão de trabalho por volta de 1.2V (considerando é claro a existência de um resistor em série para garantir estes valores).
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Contudo elementos que necessitem de níveis de tensão, e sobre tudo de corrente superiores aos fornecidos pelo microcontrolador provavelmente não entraram em funcionamento e poderão inclusive danificar de forma permanente o circuito interno conectado ao pino output. Outra conseqüência da ligação direta de circuitos de potência ao microcontrolador é o risco de ocorrem surtos de tensão que poderão ocasionar erros de processamento ou o colapso total do circuito (―queima‖) do controlador. Existem dispositivos que são empregados na interface entre o circuito de controle e os elementos que exigem níveis consumo elevados. Em geral esses sistemas utilizam o sinal de baixa potência enviado pelo microcontrolador para chavearem circuitos com elementos que amplificam o sinal para níveis elevados de tensão e corrente capazes de alimentarem grandes cargas. Quando estes dispositivos possuem alem do circuito de potência, outros circuitos que visam melhorar o desempenho oferecido, como por exemplo, isoladores de sinal, filtros, dispositivos de segurança entre outros, eles recebem a denominação de driver. O projeto apresenta como necessidade a existência de um driver que permita ao microcontrolador comandar o motor de passo que realiza o papel de converter energia elétrica em mecânica para realizar a movimentação linear do conjunto. As características associadas ao driver devem incluir a compatibilidade com os sinais de saída do microcontrolador, um funcionamento que não produza interferências eletromagnéticas sobre os demais componentes do produto, o isolamento entre os sinais de acionamento e o circuito de potência, baixo custo de produção ou aquisição e a facilidade de utilização. A principal alternativa oferecida pela instituição é um drive para acionamento de motores de passo do tipo bipolar desenvolvido pelos professores Nelson Bonacorso e Valdir Noll para aplicações didáticas. Entre as vantagens da utilização deste drive estão à facilidade de obtenção do dispositivo junto à instituição, a compatibilidade com os sinais lógicos enviados pelo microcontrolador com o uso de apenas dois terminais para controle do drive, a presença de uma fonte de alimentação interna.
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A arquitetura do drive DCBMP é baseada na utilização L6802N, um circuito integrado que possui os componentes e as características necessárias para acionar um motor de passo do tipo bipolar com duas unidades de fase (bobinas). Sua construção inclui duas pontes H controladas por um circuito lógico que gera a sequencia de passos com base em um sinal de clock externo enviado pelo microcontrolador.
Na
figura
abaixo
é
representado
um
esquemático
do
funcionamento do drive:
Fonte: BONACORSO, Nelson; NOLL, Valdir. FIGURA 27 – Diagrama de funcionamento do drive
Alem do sinal que determinam os passos do motor, o drive possui uma entrada para um sinal que configura o sentido de rotação dependendo do valor lógico aplicado no pino 2 (CW/CCW) do L6208N, no caso HIGH (5V) define o sentido como horário e no caso do nível lógico LOW (0V) seleciona o modo de rotação para anti-horário. A figura a seguir apresenta a placa que constitui o drive:
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Fonte: BONACORSO, Nelson; NOLL, Valdir. FIGURA 28 – Vista superior do drive DCBMP
É notória a presença do elemento discador localizado no centro da placa, sua função é garantira a refrigeração de L6802N durante seu funcionamento impedindo que a sobre temperatura venha a altera as características da placa de circuito impresso ou dos componentes periféricos ao circuito integrado. 3.1.6 FUNÇÃO MOVIMENTAR A função movimentar representa o dispositivo que ira realizar a transformação da energia elétrica provida pelo drive de corrente em uma energia de natureza diferente, a mecânica. O transdutor escolhido para aplicação no projeto foi o motor de passo, principalmente pelas vantagens oferecidas sobre seus concorrentes, no caso os motores DC que apesar do baixo custo e simplicidade de acionamento apresentam a desvantagem de ter um controle pouco preciso do movimento de rotação e os servos motores com eficiência e precisão elevadas, mas com sistemas de controle complexos e de alto custo.
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O motor de passo (figura 29) recebe este nome devido ao fato de possuir um deslocamento angular controlado pela excitação de suas bobinas que dependendo dos pulsos enviados pelo sistema de controle, pode realizar pequenas variações na posição do rotor, fazendo com que ocorra a rotação do eixo em etapas chamadas de passo. No caso de um acionamento digital é possível controlar a frequência e a quantidade de steps (passos) realizados pelo motor, o que permite definir com precisão a velocidade e do deslocamento sofridos pelo eixo.
FIGURA 29 – Motor de passo
3.2 ESTRUTURA MECÂNICA A concepção mecânica reúne importantes componentes funcionais do produto que garantem a fixação dos elementos estruturais, que suportam os carregamentos aplicados sobre o sistema. Também permite a fixação dos demais elementos que compõem a parte eletroeletrônica incluindo os sensores, condutores elétricos, sistema de controle lógico, subsistema de alimentação e os transdutores, como o motor e o encoder. O projeto mecânico possui como característica principal, a capacidade de resistir aos esforços solicitados durante o funcionamento e garantir que o restante dos elementos do sistema consiga executar suas atividades. O desenvolvimento de projeto possui restrições determinantes, abordadas durante a fase do projeto informacional, que limitam algumas características técnicas como o peso e o custo do produto quando relacionados à robustez exigida, da unidade de movimentação linear. Baseado nesses termos é realizado uma analise das possíveis soluções que podem ser aplicadas no projeto sem comprometer as especificações determinantes. O processo de detalhamento exposto a seguir apresenta as soluções encontradas e desenvolvidas para a estruturação e construção do modulo mecânico que constitui a unidade de movimentação. 3.2.1 FUNÇÃO SUSTENTAR A sustentação garante a estabilidade do sistema mecânico, pois assegura que os componentes estarão devidamente fixados em suas posições determinadas. Isso pode ser obtido a partir do projeto de uma estrutura que permita alem do baixo peso, baixo custo e agregando valores elevados de resistência mecânica quando solicitados. Esta função apresenta duas subfunções, uma delas determinada estruturar e a outra de interligar estrutura. A subfunção estruturar consiste nos elementos físicos, que propiciam a rigidez e a resistência mecânica do produto. O dispositivo
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selecionado para executar esta função e conhecido como perfil extrudado semelhante ao apresentado na figura abaixo.
FIGURA 30 – Perfil de alumínio extrudado
O perfil extrudado consiste em um elemento sólido composto de uma liga de alumínio, com características fazem com que este componente tenha uma grande importância dentro da função a qual é submetido. Entre suas principais características as de maior destaque estão relacionadas, por exemplo, no que diz respeito ao seu baixo peso, a boa resistência corrosão e a geometria que permite com que esse elemento tenha uma boa resistência mecânica. Para interligar os perfis de alumino e permitir que o conjunto forme uma base de sustentação responsável por assegura a rigidez mecânica do sistema foi criada para a aplicação no projeto o layout de duas placas também de alumino, localizadas na frente e na traseira da unidade, cuja função é fixar os perfis de extrudados por meio de parafusos que transpassam a placa e são acoplados a rosca interna usinada no orifício central da seção transversal do perfil, como pode ser observado na montagem os perfis e das placas mostradas na figura abaixo:
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FIGURA 31 - Estrutura de sustentação
Os perfis possuem dimensões de 45 mm para largura e altura enquanto seu comprimento é de 400 mm, a disposição dos perfis na montagem permite a escolha permite a escolha entre o modelo simples o duplo com uma seção de 45 x 90 mm, porém tendo em vista que o primeiro modelo apresenta maior disponibilidade na instituição optou-se por sua aplicação na estrutura mecânica. As medidas complementares das placas são de 120 mm de altura, 250 mm de largura e uma espessura de 12 mm. 3.2.2 PROTEGER A garantia de que os elementos envolvidos na estrutura do produto não sofram qualquer tipo de dano fica por responsabilidade da função proteger. Dentro deste contexto são relacionadas duas importantes subfunções destinadas a atenderem regiões especificas do projeto, são elas: proteger componentes e proteger cabos elétricos. Para a proteção dos componentes, será utilizado um cabinete metálico, já a segurança dos cabos elétricos fica por conta de um elemento conhecido como esteira porta cabos.
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O cabinete metálico é constituído de uma estrutura rígida, derivada da utilização de chapas de aço. Tal aço consiste em um elemento de baixo carbono, que oferece dentro desta aplicação uma boa resistência mecânica e facilidade de fabricação. A esteira porta cabos é um elemento que reuni baixo peso associado a um alto grau de estabilidade. Este elemento possui características importantes como, por exemplo, abertura rápida, é silenciosa graças ao sistema de amortecimento interno e, portanto é aplicável em diversas situações. São utilizadas desde 1950 e inicialmente era produzida a base de aço, mas com o passar dos tempos começaram a ser produzidas também com um polímero conhecido por polipropileno, sendo estas atualmente as mais utilizadas. Geralmente são utilizados em maquinas ferramenta, robôs industriais, guindastes entre outros. 3.2.3 GUIAR MOVIMENTO Esta função tem como principal objetivo garantir que a movimentação da mesa seja executada em uma trajetória linear, e também garantir que este movimento ocorra de forma suave sobre a superfície de contato entre os elementos móveis. O deslocamento realizado durante a movimentação esta associado a diversas forças que atuam sobre os elementos que guiam o movimento, entre elas a força resultante do carregamento sobre a mesa e também pelos momentos em torno dos elementos de apoio. A ação dessas forças não deve influenciar no posicionamento dos elementos moveis exceto é claro no deslocamento axial em relação à trajetória retilínea, uma vez que o deslocamento sofrido em outras direções resulta em uma falta de precisão do produto e em uma ausência de controle sobre a movimentação linear. A figura a seguir apresenta os elementos responsáveis por guiar o movimento executado pela unidade de movimentação linear que correspondem ao par constituído pelas guias lineares e seus patins.
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FIGURA 32 – Aplicação das guias lineares e seus patins.
As guias lineares estão fixadas a estrutura de sustentação por meio de parafusos e porcas do tipo T que apresentam compatibilidade de uso em perfis do tipo extrudado utilizado no projeto. Essa forma de união entre estes elementos permite que as guias mantenham-se estáticas enquanto os patins, que são os componentes que possuem livre movimentação no sentido longitudinal da montagem, possam se deslocar ao longo do curso e moverem consigo a mesa, que corresponde ao retângulo transparente localizado acima dos patins. 3.2.4 TRANSMITIR MOVIMENTO O processo de transmissão deve apresentar soluções que atenuem as limitações resultantes das características técnicas de alguns componentes que constituem a montagem da unidade que exigem, por exemplo, adequar o torque do disponibilizado pelo motor de passo, utilizar o espaço reservado a este subsistema, acoplar os elementos de transmissão e outras variáveis presentes desde a transdução da energia elétrica em rotação até o deslocamento efetivo da mesa de movimentação.
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A solução adotada para o sistema que interliga o elemento de propulsão (motor) aos elementos principais de movimentação que é o par pinhão e cremalheira foi à utilização de polias e correia sincronizadora. A principal vantagem do sistema é o baixo custo, quando comparado com o uso de redutores planetários, que facilita a possibilidade de aquisição do produto por parte da instituição. As polias são elementos que possuem forma correspondente a uma roda. Estes elementos se caracterizam por apresentarem um movimento giratório que se dá em torno de um eixo e também por serem dotadas de um arco, cuja função é abrigar um elemento flexível como, por exemplo: correias, cabos, correntes entre outros, visando transmitir movimento. Já as correias , assim como as polias, são elementos de transmissão, porém caracterizam-se por ser constituído por uma tira flexível sem fim, com a função de transmitir junto às polias, um movimento de rotação de uma árvore para outra. A velocidade ou torque fornecido por um conjunto transmissor depende da relação entre os diâmetros das polias que compõem o sistema, desde o eixo de entrada até o eixo de saída. No projeto há a necessidade de um processo chamado redução, que se caracteriza por reduzir a velocidade vinda do motor, com o objetivo de aumentar o torque de acionamento. Para isso as polias envolvidas no processo devem ter diâmetros diferentes, sendo a polia movida, aquela que recebe o movimento, maior que a polia motora, isto é, a que fornece movimento. Serão utilizadas polias de 36 e 12 dentes, sendo a com maior número de dentes a movida, e a com menor a motora. O modelamento matemático do processo descrito anteriormente é expresso pela seguinte equação:
n1 D1 n2 D2 Onde e
são as velocidades (rpm) das polias motoras e movida
e
são os diâmetros das mesmas.
(3)
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A figura a seguir apresenta a montagem das partes se sofrem deslocamento em relação à estrutura quando ocorre a movimentação linear do produto. Nela é possível observar o sistema de redução que utiliza polias do tipo sincronizadas (elementos destacados em amarelo). Acoplados sob a mesa estão os patins e um flange constituídos de duas peças, que serve de apoio para o motor de passo que possui a polia motora acoplada em seu eixo. Ao ser acionado, o motor realiza um momento sobre a polia forçando a sua rotação, esse movimento é transmitido através da correia (não presente na montagem) para a polia motora que se encontra conectada a um eixo bi apoiado sobre dois rolamentos de uma carreira de esferas, sendo que somente o superior esta visível na figura.
FIGURA 33 – Sistema de redução por polias
O momento que atua sobre a polia movida é transmitido para o eixo graças à montagem realizada com interferência, que força os dois elementos a manterem-se conectados durante o processo de rotação. Ao mesmo eixo encontra-se acoplado, em sua extremidade inferior, o pinhão que juntamente com a cremalheira realiza a conversão do movimento rotacional resultante do torque transmitido pelo eixo movido em movimento linear. Como a cremalheira está fixa à estrutura do produto, a reação natural de sistema é forçar o deslocamento da estrutura onde o pinhão
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realiza seu acoplamento, o que culmina na movimentação linear da mesa. Com a chapa frontal suprimida é possível visualizar na perspectiva da figura a seguir o engrenamento entre o pinhão e a cremalheira.
FIGURA 34 – Transmissão por meio de pinhão e cremalheira
Por definição a cremalheira consiste em uma barra ou trilho dentado que em conjunto com uma engrenagem ajustada a sua estrutura, proporciona a conversão de um movimento retilíneo em rotacional, ou rotacional em retilíneo, enquanto o pinhão é um tipo de engrenagem cilíndrica, um dos tipos mais simples e conhecido de engrenagem, que tem como característica estrutural a presença de dentes paralelos entre si e paralelos ao eixo.
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3.2.5 SINALIZAR Assim como qualquer tipo de equipamento mecatrônico encontrado no mercado ou em instituições de ensino, a mesa de movimentação linear apresenta aspectos técnicos que podem em algum momento oferecer um risco ao usuário do equipamento. Os níveis de periculosidade podem ser agravados pelo fato do processo conter um grau de automatização sobre a movimentação, o que leva o produto a realizar movimento de modo automático podendo surpreender o usuário durante o funcionamento do produto. Para que o usuário tenha consciência do estado de operação da unidade está proposta na concepção uma forma de sinalização luminosa que utiliza LEDs para alertar que o equipamento encontra-se em funcionamento e pode, dependendo do comando executado, realizar algum tipo de deslocamento. Inicialmente o produto deve sinalizar os seguintes estados de operação: a) Ligado – faz referência ao fato de que o aparelho encontra-se conectado a rede de energia alimentação local, portanto os circuitos elétricos estão energizados e o sistema de controle pode realizar o acionamento do produto. b) Em espera – sinaliza que a operação a ser executada encontra-se momentaneamente bloqueada, fincando a cargo do operador optar por iniciar ou não o processo em andamento. c) Emergência – informa ao operador que o botão de emergência encontra-se pressionado e que o equipamento não pode realizar nenhuma ação automatizada durante este período. Na figura abaixo relaciona o esquema de ligação para utilizado para o conjunto óptico que realiza a interface entre os estados de operação e o usuário, composta pelos diodos emissores de luz, pelos resistores de limitação para a corrente e tensão de trabalhos dos LEDs e os pontos de onde são enviados os comandos de acendimento. Note que o LED de emergência é acionado pelo botão de emergência e não pelo microcontrolador, que nesse caso utiliza o mesmo sinal para reconhecer o estado de emergência como ativo.
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FIGURA 35 – Sinalização dos estados de operação
Além de sinalizar o estado de operação, o produto deve alertar o usuário sobre riscos associados aos componentes elétricos e mecânicos do sistema para prevenir acidentes decorrentes da falta de informação ou treinamento do operador em determinadas situações. Entre os riscos presente na unidade de movimentação estão os relacionados com a manipulação de energia elétrica devido ao contato direto com partes energizadas, sobre tudo nos estágios primários dos transformadores utilizados que apresentam uma tensão de 220 VCA. Mecanicamente os riscos estão associados ao processo de movimentação que pode promover o esmagamento de corpos presentes nas áreas de risco onde ocorre o deslocamento da mesa ou nas proximidades do sistema de redução por polias e no mecanismo de transmissão por pinhão e cremalheira. Para prevenir estes riscos estão selecionadas as etiqueta apresentadas na figura a seguir, que serão fixadas nas laterais do produto e nas proximidades das áreas onde a probabilidade de ocorrer algum tipo de incidente seja evidente.
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FIGURA 36 – Etiquetas de riscos ao operador
As etiquetas apresentam caráter preventivo e atuam apenas como aviso indicativo dos riscos, portanto elas não impedem que a exposição do usuário como p ocorre nos sistemas que possuem proteções física que impedem o contato com as áreas moveis ou sistemas de travamento por detecção de movimentos em áreas de perigo.
REFERÊNCIAS AMARAL, Daniel Capaldo; Et al. Gestão de desenvolvimento de produto. São Paulo, SP: Saraiva, 2006. BACK, Nelson; Et al. Projeto integrado de produtos. Planejamento, Concepção e Modelagem. Barueri, SP: Manole, 2008. CETINKUNT, Sabri; Mecatrônica. Tradução: José Luiz Machado do Amaral; José Franco Machado do Amaral. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2008. JOHNSON, David E. Fundamentos de Análise de Circuitos Elétricos. Tradução: Onofre de Andrade Martins; Marco Antônio Moreira de Santis. Rio de Janeiro, RJ: Prentice-hall, 1994. INMETRO. Regulamentos Técnicos Metrológicos e de Avaliação da Conformidade. Disponível em: . Acesso em: 18/02/2011. Ministério do Trabalho e Emprego. Normas Regulamentadoras. Fevereiro de 2011. Disponível em: . Acesso em: 18/02/2011 Mectrol. Automação Industrial. Disponível em: . Acesso em: 17/02/2011. RAC. Movimentação Linear. Disponível em: . Acesso em: 17/02/2011. Mec Part’s. Linear Technology. Disponível em: . Acesso em: 17/02/2011. NSK. Suprimentos Industriais. Disponível em: . Acesso em: 17/02/2011. Hidrapa. Automação Industrial. Disponível em: . Acesso em: 17/02/2011.
APÊNDICES
APÊNDICE A – CASA DA QUALIDADE
APÊNDICE B – DESENHOS TÉCNICOS
ANEXOS
ANEXO A – CATALOGO TÉCNICO BORNES BR0
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