Desenvolvimento do Sistema da Esteira

O modelo da esteira é construído a partir do modelo estático do motor e com outros módulos. Com base no diagrama da Figura 49, a partir de uma placa eletrônica, é controlada a velocidade do motor. Essa placa, por meio de três

entradas digitais, possibilita o controle do motor com quatro velocidades, assim como o controle do sentido de rotação.

O objetivo principal da utilização da placa de acionamento descrita é simular a utilização de um motor acoplado a um inversor de frequência dentro da planta construída, configurado como velocidades fixas. Assim, conforme os sinais enviados pelo CLP são possíveis ligar e desligar o motor, assim como movimentá-lo com três valores de velocidades, e também o controle do sentido.

Para a confecção da placa de acionamento é utilizado um microcontrolador PIC 16F628A, o qual envia um sinal PWM para uma interface de potência, e assim controlar a velocidade do motor.

Como a velocidade de saída do motor é elevada, um sistema de redução mecânica é construído a partir de um conjunto de engrenagens. Com isso tem-se a diminuição da velocidade linear de saída do sistema.

Quanto à parte lógica do funcionamento da esteira, têm-se dois sensores fotoelétricos posicionados nas extremidades, sendo que o primeiro detecta a presença de peça para o funcionamento em automático e o segundo detecta a chegada da peça na máquina ferramenta.

Figura 49 - Diagrama da esteira transportadora. Fonte: Autor.

Para a placa de interface com o motor, o bloco mostrado na Figura 50 é desenvolvido, e tem por função enviar valores de duty cycle definidos, análogo ao funcionamento da placa, a qual também possui valores determinados para duty cycle do sinal PWM, conforme o programa desenvolvido para o microcontrolador.

Figura 50 - Modelo da placa de acionamento do motor. Fonte: Autor.

Esse bloco tem como função enviar valores determinados de duty cycle para o bloco seguinte, o modelo do motor. As entradas “BIT0”, “BIT1” e “DIR” recebem sinais do CLP e, por meio das saídas “Valor_PWM[7..0]” e “Sentido”, controlam o bloco seguinte. A arquitetura interna do bloco de controle do motor é mostrada na Figura 51. Os valores utilizados como constantes representam o duty cycle.

Figura 51 - Arquitetura interna do modelo de acionamento do motor. Fonte: Autor.

Na sequência da construção do modelo da planta, o sinal de controle da placa de acionamento é enviado para o modelo de motor mostrado na seção anterior. Com esse bloco, tem-se na saída um sinal pulsado que representa o sinal gerado pelo encoder e um valor representante da frequência de rotação.

Para o cálculo da varável de velocidade linear de saída do sistema, é necessário o conhecimento da frequência de rotação do motor. Como o encoder

utilizado no protótipo gera doze pulsos por revolução, os valores levantados são divididos por doze, para assim ter a equivalência correta de frequência de rotação e velocidade linear. A Figura 52 mostra o bloco de divisão.

Figura 52 - Bloco de divisão de frequência por doze. Fonte: Autor.

Quanto à arquitetura interna do bloco divisor por doze, a mesma é mostrada na Figura 53.

Figura 53 - Arquitetura interna do bloco de divisão por doze. Fonte: Autor.

Para determinar a velocidade linear e assim poder calcular a velocidade de um objeto sobre a esteira, um bloco de conversão de valores de velocidade é aplicado no protótipo do modelo.

O bloco de conversão executa a fórmula matemática para o cálculo da velocidade linear em função da velocidade angular. A equação (6) mostra a conversão da velocidade angular em velocidade linear.

(6)

VLIN é a velocidade linear (cm/s), é a velocidade angular (rad/s) e R o raio (cm) da primeira engrenagem, acoplada diretamente no eixo do motor.

Como a velocidade angular é função da frequência de rotação, conforme a equação (7), e o modelo construído para o motor entrega os valores de frequência

R V_lin =

ω

equivalentes às entradas de controle da placa de acionamento, substituindo a equação (7) em (6), tem-se a equação (8), a qual foi construída na FPGA.

(7)

Onde é a velocidade angular (rad/s) e f a frequência de rotação (Hz).

(8)

Para a construção do bloco de conversão de velocidades, os valores constantes estão internos no bloco. Os valores de raio e frequência são referenciados como parâmetros de entrada. Na saída do bloco tem-se o valor da velocidade linear, o qual será encaminhado para o bloco que contém o modelo das reduções mecânicas. A Figura 54 e Figura 55 mostram o bloco de conversão e a arquitetura interna do mesmo, respectivamente.

Figura 54 - Bloco para conversão da velocidade angular em linear. Fonte: Autor.

Figura 55 - Arquitetura interna do bloco de conversão. Fonte: Autor. f ⋅ ⋅ =

π

ω

π

Com o valor de velocidade linear da primeira engrenagem, é possível construir o modelo para as reduções mecânicas. A equação (9) mostra a relação da velocidade linear e os números de dentes para um sistema de engrenagens acopladas mecanicamente, conforme Figura 56.

(9)

Figura 56 - Relação de engrenagens. Fonte: Autor.

Onde Z1 e Z2 representam os números de dentes das engrenagens e N1 e N2 as velocidades lineares.

Considerando o conjunto completo das engrenagens para a composição do sistema de redução de velocidade, a Figura 57 mostra o mesmo conforme aplicação no protótipo físico utilizado.

Figura 57 - Conjunto completo de engrenagens utilizadas. Fonte: Autor.

Dessa forma, a equação (10) apresenta o valor da velocidade linear da última engrenagem do sistema em função da velocidade linear da primeira engrenagem, como função dos números de dentes de todas as engrenagens utilizadas. Por meio do esquema de redução apresentado é possível verificar que as engrenagens 2 e 3

1 2 2 1 N N Z Z =

possuem a mesma velocidade angular e que a relação mostrada na equação (9) é válida para o conjunto de engrenagem 1 e 2, assim como para 3 e 4.

(10)

As características construtivas das engrenagens, como número de dentes, são mostradas na Tabela 3.

Tabela 3 - Número de dentes das engrenagens utilizadas.

Engrenagem Número de dentes (Z)

Engrenagem 1 12

Engrenagem 2 60

Engrenagem 3 12

Engrenagem 4 36

Fonte: Autor.

Com a equação de conversão de velocidade linear de saída em função do conjunto de engrenagens utilizado, o modelo para o acoplamento mecânico é mostrado na Figura 58.

Figura 58 - Modelo da redução com engrenagens. Fonte: Autor.

A arquitetura interna do bloco utilizado para a modelagem da redução mecânica com engrenagens é mostrada na Figura 59.

4 2 1 3 1 4 Z Z N Z Z N ⋅ ⋅ ⋅ =

Figura 59 - Arquitetura interna do modelo da redução com engrenagens. Fonte: Autor.

Com o valor da velocidade linear da última engrenagem do sistema de redução, tem-se o valor da velocidade da esteira. Considerando que o comprimento da mesma possui um valor fixo, é possível determinar o tempo que a mesma permanece acionada em função do controle do motor. Com o valor de tempo de esteira acionada e de uma constante, é possível calcular o valor de referência para um contador, conforme a equação (11).

(11)

Onde VREF é o valor de referência para o contador, L é o comprimento da esteira em milímetros e VLIN é a velocidade linear proveniente do bloco de redução de velocidade. A Figura 60 mostra o bloco para cálculo do valor de referência para a FPGA.

Figura 60 - Bloco para gerar valor de referência de contagem. Fonte: Autor. LIN REF V L V = ⋅50000000

A arquitetura interna do bloco de valor de referência é mostrada na Figura 61.

Figura 61 - Arquitetura interna do bloco de cálculo de referência. Fonte: Autor.

A partir dos módulos desenvolvidos na FPGA, é possível a construção de um bloco para a emulação da esteira transportadora, o qual é mostrado na Figura 62.

Figura 62 - Bloco para emulação da esteira transportadora. Fonte: Autor.

Ainda na Figura 62 é possível verificar portas inversoras nas entradas de controle e saídas de sinais, para adequar o nível lógico da FPGA com o CLP, já que devido aos circuitos de interface, eles chegam com níveis lógicos invertidos.

Os valores constantes equivalem ao comprimento da esteira, raio da primeira engrenagem e número de dentes de todas as engrenagens que compõe a redução mecânica.

Na Figura 63 é possível ver a arquitetura interna do modelo de esteira implementado na FPGA. Na parte inferior da figura é possível verificar os blocos referentes à placa de acionamento, motor, redutor mecânico, assim como os blocos auxiliares de cálculo. Na parte superior da figura é possível verificar os circuitos responsáveis pelo contador de tempo de esteira ligada, assim como os controladores dos sinais referentes aos sensores de posição.

Importante salientar a presença de dois pinos de entradas de dados que representam o ato de inserir e retirar peça na esteira, para que o modelo se comporte como o protótipo construído.

Figura 63 - Arquitetura interna do bloco da esteira. Fonte: Autor.