TÉCNICAS DE PROJETO APLICADAS NO
DESENVOLVIMENTO DE UM MICROPOSICIONADOR
ANGULAR
LUCIANA MONTANARI, Enga. Mecânica
Dissertação apresentada à Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica
Orientador: Prof. Jaime Gilberto Duduch, Ph.D.
São Carlos - 1999 -
Aos meus pais Heitor e Zélia,
aos meus irmãos Nelci, Suzelei, Adevair e Geovana
e a minha sobrinha Anna.
Agradeço a Deus por tudo.
Ao Prof. Dr. Jaime Gilberto Duduch pela orientação e amizade.
Ao meu grande amigo e Co-orientador Prof. Juan Carlos Campos Rubio (UFMG) pela sugestões, discussões e empenho em ajudar-me em toda a realização desse trabalho.
Ao Fernando Santoro pelas discussões sobre modelagem e simulações, pela sua paciência e especialmente pela sua amizade.
À Kelen e Gi por serem grandes amigas e companheiras.
Ao Prof. Dr. Rosalvo Tiago Ruffino pelas dicas sobre teoria de projeto. Aos meus amigos e companheiros de laboratório Helder, Renatão, Pagotto e Rogério pela ajuda e discussões sobre o trabalho, além de proporcionarem um ótimo ambiente de trabalho.
Ao Prof. Dr. Arthur José Vieira Porto pela ajuda sempre que necessária.
Ao Godoy que ajudou-me, principalmente com problemas relacionados a computador e especialmente pelo seu companheirismo.
Aos meus amigos da pós Fabiana, Rodrigo, Mariano, Volnei, Ana Lúcia, Marcello (Barata), Marcelo (Barrão), Claudião, Zé Luiz, Geraldo, Celso, Neilor, Teodora, Richard, Panamá, Alexandre (Chiquinho), Alexandre, Klauss, Dinho, Schammas, Leonardo, Rogério, Paulo, Jalon, Fabrício Flores, Fabrício Tadeu, Vagner, Rosenda, Denise, Toddy, Luciano.
Ao José pelas discussões relacionadas a problemas matemáticos. Ao Deivid e ao Gustavo Cristiano Pereira pela ajuda nos desenhos. À D. Nilza e Sr. Romualdo pelo carinho e atenção com que me receberam e aos deliciosos almoços de domingo.
Às meninas da secretaria, Ana Paula e Beth, pela disposição em ajudar-me sempre que necessário. Em especial à Beth pelas suas orações e carinho.
Ao Fer pela sua amizade e ajuda desde a minha chegada a São Carlos.
Pochete, Bisteca e Joel.
Ao CNPq pelo apoio financeiro concedido durante o desenvolvimento deste trabalho.
Agradecimento especial aos meus pais e irmãos pelo incentivo e apoio em todos os momentos.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ...iv
LISTA DE TABELAS ...vi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ...vii
LISTA DE SÍMBOLOS ...viii
RESUMO ...x ABSTRACT ...xi 1 – INTRODUÇÃO ...1 1.1 - Aspectos gerais ...1 1.2 - Justificativas ...5 1.3 - Objetivos ...6 2 - REVISÃO DA LITERATURA ...9 2.1 - Projeto ...9
2.1.1 - A história do projeto em engenharia ...9
2.1.2 - Definições de projeto ...11
2.1.3 - Métodos de projeto de engenharia ...12
2.1.4 - Métodos sistemáticos de projeto ...14
2.1.5 - Morfologia do processo de projeto ...18
2.1.6 - Modelos prescritivos ...19
2.1.7 - Uma avaliação crítica dos modelos prescritivos ...30
2.1.8 - Um estudo mais profundo do modelo de Krick ...33
2.1.8.1 - Formulação do problema ...34
2.1.8.3 - Procura de soluções ...35
2.1.8.4 - Tomada de decisão ...37
2.1.8.5 - Especificação da solução ...42
2.1.9 - Conclusão ...43
2.2 - Sistemas Posicionadores de Precisão ...43
2.2.1 - Considerações gerais ...44
2.2.2 - Classificação dos sistemas de posicionamento ...45
2.2.3 - Estrutura funcional de um posicionador ...46
2.2.4 - Componentes de um posicionador ...48
2.2.4.1 - Guias de movimento ...49
2.2.4.2 - Transmissões mecânicas conversoras ...55
2.2.4.3 - Acionamento ...58 2.2.4.4 - Sensores ...63 2.2.5 - Conclusão ...70 3 - METODOLOGIA DE PROJETO ...71 3.1 - A escolha do modelo ...71 3.2 – Análise técnica ...72 3.2.1 - Procura de soluções ...72 3.2.2 - Princípio de funcionamento...74 3.2..3 - Análise de valor ...75 4 – MODELAGEM CINEMÁTICA ...79 4.1 – Introdução ...79
4.2 – Definição de Matriz de Transformação Homogênea ...79
4.2.1 - Movimento de translação ...81
4.3 - Descrição do mecanismo ...86
4.4 - Sistema de coordenadas cartesianas ...87
4.5 - Análise cinemática ...89
4.6 - Descrição dos movimentos para os atuadores ...89
4.6.1 - Atuador B ...90
4.6.2 - Atuador A ...94
4.6.3 - Atuador C ...98
5 – SIMULAÇÕES ...105
6 - CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ...114
BIBLIOGRAFIA ...118 APÊNDICE – Desenhos do microposicionador angular
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1.1 – O desenvolvimento da usinagem no século XX (TANIGUCHI,
1983) ...2
FIGURA 1.2: Esquema da localização do posicionador. ...7
FIGURA 2.1 – Representação de um sistema ...16
FIGURA 2.2 – Decomposição da caixa preta ...16
FIGURA 2.3 – Modelo de Watts (EVBUOMWAN et al., 1996) ...22
FIGURA 2.4 – Modelo de Marples (EVBUOMWAN et al., 1996) ...23
FIGURA 2.5 – Modelo de Archer (EVBUOMWAN et al., 1996) ...24
FIGURA 2.6 - Modelo de Krick ...25
FIGURA 2.7 – Modelo de Nigel Cross ...26
FIGURA 2.8 – Modelo de French (EVBUOMWAN et al., 1996) ...28
FIGURA 2.9 – Modelo VDI 2221 (MARIBONDO et al., 1998) ...30
FIGURA 2.10 – Modelo de Krick ...34
FIGURA 2.11 – Passos da avaliação das variantes ...40
FIGURA 2.12 - Estrutura funcional de um posicionador ...47
FIGURA 2.13 – Curvas características de atrito em guias (LICHTBLAU, 1989) ...50
FIGURA 2.14 – (a) Esquema construtivo de um PZT (PHYSIK INSTRUMENTE, 1992); (b) Tipo de PZT comercial ...62
FIGURA 2.15 – Princípio operacional de um laser interferométrico (TAVARES, 1995) ...67
FIGURA 2.16 – Interferômetro de Michelson ...68
FIGURA 2.17 – Interferômetro de Fizeau ...69
FIGURA 3.1 - Tipos construtivos de posicionadores angulares - (a) cunha de encosto angular, (b) cunha de apoio semi-esférico, (c) transmissão por came, (d) posicionador micrométrico diferencial, (e) transmissões rotativas, (f) plataforma de Stewart ...73
FIGURA 4.2 – Rotação do sistema (XL, YL, ZL) em torno do eixo XR ...83
FIGURA 4.3 – Rotação do sistema (XL, YL, ZL) em torno do eixo YR ...84
FIGURA 4.4 – Rotação do sistema (XL, YL, ZL) em torno do eixo ZR ...85
FIGURA 4.5 – Esquema do posicionador angular ...86
FIGURA 4.6 – Sistema absoluto de coordenadas OXYZ, segundo a regra da mão direita ...87
FIGURA 4.7 - Posição do sistema absoluto de coordenadas OXYZ no posicionador ...88
FIGURA 4.8 – Posicionador na posição inicial ...88
FIGURA 5.1 – Esquema do posicionador mostrando os ângulos de rotação em torno de X e Y ...105
FIGURA 5.2 – Variação dos ângulos 1 e 2 ...106
FIGURA 5.3 – Fixação do ângulo 2 e variação do ângulo 1 ...108
FIGURA 5.4 – Fixação do ângulo 1 e variação do ângulo 2 ...109
FIGURA 5.5 – Posição inicial do posicionador no referencial relativo ...110
FIGURA 5.6 – Variação dos ângulos 1 e 2 para l=60 mm ...111
FIGURA 5.7 – Fixação do ângulo 2 e variação do ângulo 1 para l=60 mm ...112
FIGURA 5.8 – Fixação do ângulo 1 e variação do ângulo 2 para l=60 mm ...113
LISTA DE TABELAS
TABELA 2.1 – Determinação do valor global (HÖNHE, 1990b) ...42 TABELA 2.2 – Comparação entre guias de precisão ...52 TABELA 2.3 – Característicos técnicos de mancais de precisão ...55 TABELA 2.4 – Propriedades das características de diferentes fusos (WECK
et al., 1998) ...58 TABELA 2.5 – Dados comparativos de sistemas de medição (TAVARES,
1995) ...66 TABELA 3.1 - Fatores de importância ...76 TABELA 3.2 – Determinação do valor global do posicionador ...77
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CNC – Comando numérico computadorizado IC - Circuitos integrados
PZT - Atuadores piezoelétricos VDI - Verein Deutscher Ingenieure
LISTA DE SÍMBOLOS
A - amplitude
d –translação do ponto central do posicionador na direção Z
dA – deslocamento do atuador A dB - deslocamento do atuador B dC – deslocamento do atuador C Dm, Dn – decisões E - ambiente particular i = variante i
- vetor unitário da direção X j = critério
j
- vetor unitário da direção Y
k - vetor unitário da direção Z
l – distância dos atuadores ao centro do mecanismo n = número de critérios
N - fatores externos Owvj = valor global
P - exigências do projeto Ra – rugosidade média v - velocidade de movimento
vij = sub-valor da variante i em relação ao critério j vmax = valor máximo de todas as variantes
wi = peso i-ésimo do critério j
Xi = valor global segundo o valor máximo
XL, YL, ZL - coordenadas do sistema de referência XR, YR, ZR - coordenadas do sistema absoluto - comprimento de onda
A - coeficiente de atrito 1 – giro em torno do eixo X 2 – giro em torno do eixo Y
- produto final - freqüência
RESUMO
MONTANARI, L. (1999). Técnicas de projeto aplicadas no desenvolvimento
de um microposicionador angular. 126p. Dissertação (Mestrado) –
Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo.
Para se obter alto desempenho em máquinas-ferramenta de ultraprecisão, são necessários o desenvolvimento de sistemas de posicionamento e o controle de movimento, os quais não raramente devem operar com resolução e repetibilidade na faixa submicrométrica. A utilização das modernas técnicas de metodologia de projeto auxiliam no desenvolvimento deste tipo de sistema. Neste trabalho são discutidas e analisadas as diversas alternativas disponíveis para os elementos constituintes do sistema de posicionamento. Aspectos críticos como cinemática, acionamento, guias e apoios são estudados e confrontados usando o método de análise de valor. E baseados no resultado do estudo prévio, obtém-se um sistema híbrido para microposicionamento angular de alta rigidez e ampla largura de banda, capaz de posicionar uma superfície com resolução angular inferior a 4.10-5 graus. Através das técnicas de modelagem, pode-se verificar a funcionalidade desse sistema projetado, quanto ao seu comportamento estático e dinâmico. Uma modelagem cinemática é apresentada com o objetivo de auxiliar na veracidade do projeto do posicionador angular, através da qual pretende-se observar a influência de cada ponto de apoio no posicionamento final. São apresentados os resultados obtidos em simulações numéricas, as quais constatam não só o próprio desempenho do posicionador, como também, a validade da técnica utilizada.
Palavras-chave: projeto; ultraprecisão; microposicionamento; atuadores; cinemática.
ABSTRACT
MONTANARI, L. (1999). Design techniques applied to development of an
angular micro-positioner. 126p. Dissertação (Mestrado) – Escola de
Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo.
In order to achieve high performance in ultra-precision machine tools, appropriate capability is required of motion control and positioning systems which have to operate at resolutions and repeatability in the sub-micrometre range. Machining may reach high levels of precision through the use of suitable sensors, actuators and controllers so that the development of micro-positioner with low backlash, high bandwidth and accuracy is a crucial aspect of high precision machining technology. Modern design techniques can greatly assist in the development and design of such systems. In this work, several design options for the elements of a positioning system are discussed and analysed. Critical aspects such as kinematics, driving and bearings are studied and compared using the value analysis method. A hybrid system based upon the results of this study is proposed which combines the best characteristics of each design option. The system possesses the capability of positioning a workpiece and/or tool angularly and/or linearly (micro-tilt stage) with a resolution better than 4 10-5 arc degree and high stiffness and bandwidth. Through modelling techniques, it is possible to verify the static and dynamic behaviour of the system. A kinematics model of the micro-tilt stage is presented in order to establish a relationship between the displacement of the actuators and the final position of the stage. It is anticipated that such an approach will be required in respect of interferometric feedback control. Simulations of the model are performed showing that the technique applied is valid and the system fulfils the requirements for ultra-precision design.
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1 – Aspectos gerais
Indústrias de alta tecnologia como as de informática, microeletrônica, óptica e mecânica de precisão têm procurado desenvolver constantemente pesquisas em diversas áreas como as dos materiais, de instrumentação, de controle e fabricação, no intuito de produzir componentes e equipamentos cada vez mais precisos e de melhor qualidade.
Um fator de grande importância para a produção de diversos componentes, tem sido o significativo desenvolvimento que equipamentos de fabricação e instrumentos de medição de precisão têm alcançado nas últimas décadas. TANIGUCHI (1983) analisou historicamente este desenvolvimento e extrapolou para o futuro sua provável tendência. Estas informações foram sintetizadas em um diagrama reproduzido na FIGURA 1.1, onde são apresentados também diversos equipamentos de fabricação e instrumentos de medição que atuam em diferentes graus de exatidão. Particularmente, nestes últimos quinze anos, ocorreu nas mais diversas áreas da ciência e da tecnologia, o surgimento da nanotecnologia, onde a grandeza física na qual se trabalha é da ordem de 10-9 m (IKAWA et al., 1987; TANIGUCHI, 1992 & PENTEADO, 1996). Essa busca incessante da “perfeição” é uma característica inerente da engenharia de precisão, o que
torna inevitável que os equipamentos de precisão de hoje venham a se tornar os equipamentos comuns do futuro (WATANABE, 1992).
FIGURA 1.1 – O desenvolvimento da usinagem no século XX (TANIGUCHI, 1983)
À medida que as características metrológicas e de acabamento superficial tornam-se mais críticas, o desempenho da máquina-ferramenta cresce em importância. Desta forma, quando ingressamos no campo da mecânica de precisão, o desempenho desejado das máquinas-ferramenta destinadas à fabricação de componentes de elevada precisão de forma e rugosidade superficial (na faixa de 10 nm Ra; como por exemplo, moldes para lentes, discos de memória de computador, lentes e espelhos para sistemas ópticos), demandam a utilização de máquinas com melhor precisão de posicionamento (DOWN et al.,1991; HARA et al., 1990 & IKAWA et al., 1991). Uma exigência muito comum para a obtenção de espelhos para
sistemas ópticos é a necessidade de movimentos com resolução de 0,01 m livres de folga, num curso aproximado de 1-2 mm para cargas entre 20 a 2000 N (LANGENBECK, 1992). Dentro das modernas técnicas de manufatura, existe ainda, a produção de tecnologia de circuitos integrados (IC), que exige geometria submicromética com resolução de posicionamento na ordem de 0,1 m (TAYLOR & TU, 1996).
O crescente aumento nas exigências em relação à precisão de forma e qualidade superficial de elementos ópticos e em geral, dentro da classe de mecânica de precisão, exige-se um constante aperfeiçoamento no desempenho das máquinas-ferramenta para a usinagem de ultraprecisão.
Estas máquinas, apesar de apresentarem um desempenho excepcional com relação à precisão e também à produtividade, ainda são desenvolvidas de acordo com os conceitos básicos de projeto mecânico, onde a grande diferença se encontra na precisão com que cada componente é fabricado individualmente (PURQUERIO et al., 1994).
Na fabricação de ultraprecisão, como no caso de componentes para aplicações em equipamentos mecânicos, ópticos e eletrônicos são necessárias máquinas que apresentam rigidez e precisão de posicionamento que garantam a qualidade nanométrica. Seu elevado grau de desenvolvimento tem sido alcançado através de grandes esforços científicos e tecnológicos, tanto no setor acadêmico quanto no industrial (SCHROETER, 1997).
Os elementos mecânicos básicos que compõem uma máquina de ultraprecisão são os responsáveis diretos pela qualidade da usinagem. Devem apresentar elevada precisão, rigidez estática adequada e estabilidade dimensional, a fim de minimizar toda e qualquer fonte de erro. Essas características podem ser obtidas através da concepção correta do projeto e da definição dos materiais utilizados.
Movimentos relativos indesejáveis entre a peça e a ferramenta provocados por erros na árvore ou nas guias, variações no avanço, comportamento térmico da máquina, deformações da estrutura devido ao peso próprio ou forças de usinagem, assim como comportamento dinâmico relacionado à vibrações e outros fatores, poderão ter grande influência sobre a rugosidade, qualidade dimensional ou de forma da peça produzida (KANIZAR et al, 1996). Devido a isto, uma máquina-ferramenta de usinagem para ser classificada como de ultraprecisão, deve possuir características peculiares de extrema importância. Estas características são: elevada rigidez, isolamento de vibrações, estabilidade térmica, precisão de posicionamento (repetibilidade e resolução), alto grau de retilineidade das guias, entre outras (SCHROETER, 1997).
Desta forma, para que determinada máquina possa operar na faixa submicrométrica, são necessárias modificações que muitas vezes tornam este processo altamente dispendioso, sendo ainda, economicamente inviável.
O principal objetivo almejado para a melhoria do desempenho das máquinas-ferramenta de precisão é a geração de deslocamentos relativos entre ferramentas e peças o mais próximo possível do planejado. Neste sentido, as máquinas-ferramenta para usinagem de ultraprecisão necessitam de sistemas de posicionamento de alta resolução, assim como de sistemas de correção de erros necessários para corrigir erros provindos dos seus elementos constituintes. Esta é uma das maneiras mais direta de se alcançar a precisão desejada, sem dispor de grandes recursos econômicos.
Os avanços em sistemas de microposicionamento surgem, na maioria das vezes, apoiados em desenvolvimentos de sensores de posição e na tecnologia de software de controle. O controle de posição é realizado através do uso de atuadores piezoelétricos, os quais possuem resolução extremamente fina, mas com alcance limitado. Sistemas projetados com sensores de posição apropriados e avançadas estratégias de controle
podem reduzir erros típicos de movimento a um nível abaixo de 4,5 nm (OTSUKA, 1992). Segundo ISHIHARA (1991), através do desenvolvimento da tecnologia, os motores lineares são aplicados em sistemas de posicionamento, aumentando também as aplicações em circuitos integrados. Atuadores de movimento mais radicais como o piezoelétrico e atuadores lineares ultrasônicos serão indubitavelmente desenvolvidos no futuro, juntamente com a tecnologia dos microposicionadores (TOJO & SUGIHARA, 1989).
Em adição aos atuadores de movimento, o controle de microposicionadores exigem sensores de posição de alto desempenho. Os codificadores ópticos tradicionais são tipicamente substituídos por interferômetros a laser (STEINMERTZ, 1990).
1.2 - Justificativas
Nos últimos anos, diversos posicionadores de alta precisão têm sido desenvolvidos. A configuração mais tradicional consiste em dois sistemas de posicionamento translativos montados ortogonalmente, onde cada eixo é controlado independentemente.
Com o intuito de inovar os sistemas posicionadores existentes em máquinas e equipamentos de ultraprecisão, proporcionando movimentos angulares com resolução submicrométrica, este trabalho trata do projeto de um microposicionador angular, através da utilização de modernas técnicas de projeto, visando alcançar o desempenho otimizado num arranjo o mais simplificado possível.
Foi feito um levantamento bibliográfico da teoria de Projeto, observando suas metodologias e modelos a fim de encontrar algumas das
possíveis alternativas dos elementos constituintes de sistemas posicionadores, com o intuito de obter êxito na resolução do problema, de uma forma científica.
1.3 - Objetivos
Este trabalho tem como objetivo desenvolver um microposicionador capaz de movimentar-se angularmente, seguindo passo a passo as técnicas de projeto.
Propõe-se a utilização de sistemas de microposicionamento modulares de alta resolução, capazes de posicionar elementos nas máquinas com um alto grau de exatidão e rapidez, auxiliando tanto no posicionamento relativo ferramenta/peça como na compensação de erros sistemáticos presentes. Para tanto, são abordados aspectos do projeto e construção de um sistema de microposicionamento angular de alta rigidez e ampla largura de banda, capaz de posicionar uma superfície com uma resolução angular inferior a 4.10-5 graus.
É prevista a utilização desse sistema de microposicionamento no torno CNC (ASG 2500 Rank Pneumo do Laboratório de Ultraprecisão da EESC – USP), como pode ser observado pelo esquema de localização da FIGURA 1.2.
O desenvolvimento deste trabalho conta com o desenvolvimento de capítulos da seguinte forma.
No Capítulo 2 são abordados alguns aspectos gerais sobre projeto. São definidos conceitos, métodos, metodologia e modelos de projeto. Dentre eles será escolhido o meio mais adequado para se desenvolver um microposicionador. Dentro deste capítulo, ainda são abordados aspectos gerais relativos aos sistemas posicionadores e seus elementos constituintes.
O Capítulo 3 define uma metodologia de projeto e os parâmetros a serem utilizados neste desenvolvimento, e ainda, são caracterizados diversos princípios de funcionamento para posicionadores angulares presentes na literatura. Dentre os vários tipos construtivos abordados, um levantamento das características intrínsecas de cada um permite uma análise técnica detalhada da alternativa de maior viabilidade. Seguindo isso, será feita a tomada de decisão, a fim de obter o microposicionador mais adequado para a tarefa.
No Capítulo 4 é apresentada uma modelagem cinemática do microposicionador selecionado, visando obter uma ferramenta matemática que permita verificar e efetivar a sua funcionalidade.
No Capítulo 5 é apresentada uma simulação numérica.
No Capítulo 6 são apresentadas as conclusões e propostas para trabalhos futuros.
CAPÍTULO 2
PROJETO E
SISTEMAS POSICIONADORES DE PRECISÃO – REVISÃO DA
LITERATURA
2.1 Projeto
Neste item, através da revisão da literatura pertinente a todo o contexto da teoria de projeto, foi feito um levantamento da história do projeto em engenharia, bem como suas definições, métodos, modelos, entre outros; os quais podem ser perfeitamente observados a seguir.
2.1.1 A história do projeto em engenharia
O homem, desde seus primórdios, revelou-se muito astuto nas lutas e batalhas ferozes para sobreviver. Não somente dominou seus inimigos naturais como também a certo ponto, dominou a própria natureza. Isto porque começou a moldar e usar, de forma apropriada, os recursos que a natureza colocava a sua disposição. Aprendeu a modificar seu meio ambiente de forma a adequá-lo às suas necessidades e obter vantagens
sobre outras criaturas. Desta forma, o homem tem estado, em todas as épocas, melhorando seus meios de sobrevivência (QUIRINO, 1996).
A engenharia, como hoje se apresenta, é basicamente a resultante de dois processos históricos que por muito tempo evoluíram à parte, sem qualquer relação entre si. De um lado, o aparecimento gradual, através dos séculos, de um especialista na solução de problemas cuja ocupação era criar dispositivos, estruturas e processos de utilidades para o homem, melhorando seus meios de sobrevivência. De outro, a rápida e recente expansão dos conhecimentos científicos.
Assim permaneceu a engenharia por muitos séculos, a acumular, pela simples experiência, os conhecimentos necessários à solução de seus problemas. Com a Renascença, o nível de aprimoramento aumentou. Entretanto, durante o período de desenvolvimento da máquina a vapor, no século XVIII, os criadores de máquinas e estruturas baseavam-se principalmente de conhecimentos empíricos e da sua capacidade criativa, mas muito pouco da ciência (KRICK, 1970).
No século XIX, os engenheiros reconheceram as potencialidades das novas descobertas da ciência, na solução de inúmeros problemas da humanidade, e começaram a tirar proveito delas.
Atualmente, para a solução dos inúmeros problemas da humanidade, aplicam-se conhecimentos mediante uma metodologia que compreende matemática, computação, processos gráficos e outros. Para chegar ao sistema desejado, os engenheiros utilizam um processo denominado projeto. A importância do projeto na engenharia foi claramente identificada e publicada por FEILDEN (1963) apud WALLACE & BURGESS (1995) e, desde então, vem sendo repetida por todos os pesquisadores relacionados à área.
2.1.2 Definições de projeto
Muitos projetistas, engenheiros e pesquisadores, através da observação e experiência, expressam seus pontos de vista na definição de projeto ou o que eles consideram ser o projeto. Alguns destes pontos de vista são apresentados a seguir.
FEILDEN apud EVBUOMWAN et al. (1996): “Projeto de engenharia faz uso de princípios científicos, informações técnicas e define uma estrutura mecânica, máquina ou sistema para representar funções específicas com a máxima economia e eficiência”.
FINKELSTEIN & FINKELSTEIN apud EVBUOMWAN et al. (1996): “Projeto é o processo criativo que começa com uma exigência e acaba com a definição de um sistema, utilizando um método na realização dessa definição”.
LUCKMAN apud EVBUOMWAN et al. (1996): “Projeto é o principal passo em direção ao controle do seu ambiente. O processo de projeto é a translação de informações na forma de exigências em soluções potenciais, para encontrar as características exigidas”.
ARCHER apud EVBUOMWAN et al. (1996): “Projeto envolve um modelo com intenção de concretizar na presença de um passo criativo”.
ASIMOW (1968); BACK (1983) e SUH (1990): “Projeto de engenharia é uma atividade orientada para o atendimento das necessidades humanas, principalmente daquelas que podem ser satisfeitas por fatores tecnológicos de nossa cultura”.
As definições de projeto, dadas acima, refletem os vários pontos de vista dos autores. Em geral, certas frases e palavras-chave podem ser comuns. Por exemplo, exigências, soluções, especificações, criatividade, restrições, princípios científicos, informações técnicas, entre outras. Fazendo uso dessas palavras-chave, projeto pode ser descrito como:
“O processo de estabelecimento de exigências baseadas nas necessidades humanas, transformando as especificações e funções (assunto ou restrições) que são mapeadas em soluções de projeto (usando criatividade, princípios científicos e conhecimentos técnicos) e que podem ser economicamente produzidas” (EVBUOMWAN et al. 1996).
O processo de projeto envolve a definição do problema; a aplicação de conhecimentos e da capacidade criadora à concepção de soluções alternativas; a previsão do desempenho dessas soluções; a tomada de decisões; a especificação da solução escolhida e uma grande variedade de outras atividades.
A engenharia está fortemente relacionada com projetos. O que distingue um projeto de engenharia de outros tipos de projetos é a extensão da contribuição dos fatores tecnológicos utilizados na sua elaboração.
2.1.3 Métodos de projeto de engenharia
A atividade de projeto de engenharia, embora representada por muitos séculos, praticamente não teve qualquer estrutura ou organização. Foi somente depois da metade deste século que houve uma tentativa para dar mais formalismo ao caminho para se chegar ao projeto, através dos métodos de projeto.
O surgimento dos métodos de projeto se deu por volta dos anos de 1950 e 1960, como um desejo de se obter projetos de um modo mais científico. Os métodos científicos surgiram para resolver os tipos mais urgentes de problemas, como os decorrentes da Segunda Guerra Mundial - chegando ao controle da técnica de tomada de decisão e ao desenvolvimento de técnicas criativas nos anos de 50 (CROSS, 1993 & SUH, 1990).
“O surgimento de novos métodos de projeto desencadeou uma série de conferências nos anos de 1960 a 1980 - Londres, 1962 (Jones e Thornley, 1963); Birmingham, 1965 (Gregory, 1966); Portsmouth, 1967 (Broadbent e Ward, 1969); Cambridge, Mass., 1969 (Moore, 1970); Londres, 1973; New York 1974 (Spillers, 1974); Berkeley, Calif., 1975, Portsmouth novamente em 1976 (Evans et al., 1982) e mais uma vez em 1980 (Jacques e Powel, 1981)” CROSS (1993).
Os primeiros livros de métodos ou metodologias de projeto também surgiram neste período - ASIMOW (1962), ARCHER (1965), JONES (1970) e BROADBENT (1973), juntos com os primeiros livros de criatividade de projeto - GORDON (1961) e OSBORN (1963).
As metodologias de projeto foram sendo desenvolvidas ao longo dos anos, com a intenção de “...satisfazer as necessidades de ensino em projeto,
organização de projeto, provisão de auxílio ao trabalho dos projetistas e automação das informações de projeto” (FINKELSTEIN & FINKELSTEIN,
1983). Todas elas sugerem um fluxo de atividades com base em etapas, que devem ser seguidas pelo projetista para que se possa, a partir da definição da lista de requisitos de projeto, encontrar uma solução adequada para o problema em estudo. De uma forma geral, todas elas procuram levantar as demandas, estabelecer os requisitos de projeto, desenvolver o projeto conceitual, o projeto preliminar, o projeto detalhado e, assim, chegar à solução do problema (MARIBONDO et al., 1998).
Metodologia de projeto é definida como o estudo dos princípios, práticas e procedimentos de projeto. Segundo CROSS (1984), metodologia de projeto, inclui ainda, o estudo do trabalho de projeto, a estabilidade das estruturas apropriadas para o processo do projeto, o desenvolvimento e aplicação de novos métodos de projeto, técnicas e procedimentos, reflexão da natureza de aplicação e extensão do conhecimento dos problemas de projeto.
Existem muitos caminhos para encontrar a solução do problema em estudo, ou seja, uma aproximação sistemática do projeto definitivo. Cada projetista tem um critério particular para esta fase, pois cada problema pode ter seu método específico de solução (RUFFINO, 1991).
2.1.4 Métodos sistemáticos de projeto
Todas as técnicas desenvolvidas nesta área de metodologia de projeto são métodos sistemáticos para resolução de problemas, não somente para auxiliar na síntese de novos projetos, mas também para melhorar os projetos existentes (McKEOWN, 1988). Pode-se destacar algumas destas técnicas desenvolvidas:
1. Árvores de decisão - a partir de um problema surgem diversos subproblemas, isto é, idéias para resolução desse problema. E assim sucessivamente até chegar à solução ideal do problema inicial (ASIMOW, 1968).
2. Método morfológico – O método se baseia em uma carta morfológica ou matriz de projeto e somente produz efeito no estágio de apresentação de idéias alternativas. Para usar esta matriz de projeto, com este objetivo, é de fundamental importância que o projetista tenha estabelecido suas especificações (RUFFINO, 1991).
3. Sinergia - o termo sinergia foi adotado para a tradução de Synectics. Este método tem-se mostrado bastante eficiente em produzir boas invenções e é aplicável em problemas complexos e abstratos. A sinergia foi desenvolvida como uma deliberada imitação do modo como a mente de um indivíduo trabalha quando está na sua melhor forma. O método comprime este trabalho num período de tempo mais curto, forçando
idéias e associações em vez de esperar que surjam espontaneamente (BACK, 1983).
4. PABLA (Problem Analysis by Logical Approach) – Este método baseia-se no preenchimento de quatro cartas, obrigando com isto o projetista a percorrer todas as fases do processo de projeto, o que deve conferir uma correta atitude para a sua solução. Com isto, evita-se também a tendência do projetista de, na primeira fase do projeto, tomar o lápis e começar a desenhar (RUFFINO, 1991).
5. Técnica de Inteligência Artificial – é a aplicação da técnica de redes neurais artificiais na resolução de problemas, principalmente em projetos de automação (SMITH & BROWNE, 1993).
6. Análise de valor – é o método que aplica uma análise altamente técnica e lógica com o objetivo de se chegar na melhor solução de um problema de projeto.
7. Brainstorming - “esta técnica foi introduzida por Alex Osborn em 1939. A técnica é baseada no princípio de associação e tem como objetivo básico estimular um grupo de pessoas a detectar problemas ou produzir idéias e soluções para questões existentes de maneira rápida e direta” (BACK, 1983).
8. Inversão - o método consiste em observar um problema complexo de uma forma diferente da tradicional, ou seja, de modo invertido. Neste método, as palavras usadas são: inverter de posição, inverter os movimentos, de dentro para fora, de modo a obter outras idéias (BACK, 1983).
9. Analogia - soluções de problemas são sugeridas muitas vezes a partir de situações análogas e encontradas na natureza e mesmo na literatura (BACK, 1983).
10. Técnica da caixa preta - consiste na análise de um sistema que tenha uma certa entrada e que se requer uma determinada saída, como pode ser observado na FIGURA 2.1. Supõe-se que não se conheça o mecanismo que efetua esta operação, mas podem-se desenvolver subsistemas e componentes (BACK, 1983). Trabalhando a partir dos extremos para o meio da caixa, o problema inicial pode ser redefinido, como mostra a FIGURA 2.2.
CAIXA PRETA
entrada saída desejada
(a) (b) saída
entrada
11. Fantasia – consiste em imaginar soluções que adotam coisas irreais ou processos sobrenaturais (BACK, 1983).
12. Empatia – significa identificar-se pessoalmente ou sentir por outro. Esta técnica é freqüentemente usada em relações humanas e significa colocar-se no lugar de outra pessoa. O termo também pode ser adotado no ato de identificar-se com coisas, partes ou processos que se pretende desenvolver ou projetar (BACK, 1983).
Sem dúvida existem vantagens e desvantagens em cada uma destas técnicas, mas pode-se dizer que, de uma forma geral, elas ajudam os
FIGURA 2.1 – Representação de um sistema
projetistas a tomar as melhores decisões em todos os estágios do processo de projeto, envolvendo assim, todas as causas. Esses métodos exigem que muitos projetistas tomem parte simultânea no processo de projeto e asseguram a responsabilidade tanto na recuperação quanto na produção de projeto. Um possível perigo através do uso de metodologia de projeto é que, se não tratado cuidadosamente, pode sufocar a intuição e a criatividade.
A técnica de análise de valor é, provavelmente, o desenvolvimento mais importante nesta categoria, por ser uma análise extremamente técnica e lógica. Qualquer projeto que não for submetido a uma análise de valor apresenta baixo nível de qualidade (McKEOWN, 1988). A principal função da aplicação da técnica de análise de valor é analisar um projeto detalhadamente e fazer as mudanças convenientes que resultam em grande eficiência. Essa análise pode ser realizada através da aplicação de conceitos matemáticos.
Neste trabalho, propõe-se a definição de uma metodologia de projeto para sistemas de microposicionamento de alta resolução. Viu-se a necessidade de se aplicar uma análise técnica e lógica para obtenção do microposicionador angular com a melhor funcionalidade e desempenho dinâmico possível. Este posicionador deve ser capaz de posicionar elementos nas máquinas com alto grau de exatidão e rapidez, auxiliando tanto no posicionamento relativo ferramenta/peça como na compensação de erros sistemáticos presentes no sistema dinâmico, atenuando distúrbios presentes no processo de corte (MONTANARI et al., 1998). Trata-se, portanto, de um sistema complexo que engloba vários parâmetros técnicos.
De acordo com a literatura, são caracterizados diversos princípios de funcionamento para microposicionador angular. Dentre os vários tipos construtivos em estudo, um levantamento das características intrínsecas de cada um permite uma análise técnica detalhada da alternativa de maior viabilidade.
Como forma de auxiliar na tomada de decisão, será utilizado o método de análise de valor, já que esta técnica oferece os recursos fundamentais para se obter com sucesso a resolução do problema. Aspectos como cinemática, acionamento, guias e apoios são estudados e confrontados.
2.1.5 Morfologia do processo de projeto
O projeto de um componente ou de um sistema apresenta, em cada caso, características e peculiaridades próprias. À medida que um projeto é iniciado e desenvolvido, desdobra-se uma seqüência de eventos em ordem cronológica, formando um modelo que sempre será comum a todos os projetos (ASIMOW, 1968). Estes eventos de projeto são, de forma geral, distintos e devem ser seqüenciados e encaixados de modo a transformar recursos em objetos úteis.
Os modelos de projeto são representações de filosofias ou estratégias, propostas para mostrar como pode ser feito o projeto. De acordo com os pontos de vista filosóficos, existem duas classes principais de modelos de projeto, chamadas modelos descritivos e modelos prescritivos. Os modelos prescritivos tendem a olhar o projeto através de uma perspectiva global, adotando um procedimento e seguindo-o passo a passo. Os modelos descritivos envolvem as ações e as atividades dos projetistas durante a execução do projeto (EVBUOMWAN et al., 1996).
Mais recentemente, outros grupos de modelos conhecidos como modelos computacionais têm começado a despontar. Esses modelos usam técnicas computacionais numéricas e qualitativas e técnicas de inteligência artificial.
Considerando o projeto de um microposicionador angular para mecânica de precisão, será adotado o modelo prescritivo. Esta escolha é justificada pelo fato desse modelo analisar o problema apresentado de uma forma global e apresentar um algoritmo sistemático para a elaboração do projeto, onde todo o procedimento a ser seguido é especificado passo a passo antes de se iniciar a execução do processo de projeto. Enquanto no modelo descritivo, como comentado, são tomadas atitudes durante a execução do processo de projeto. Ainda não há a necessidade de utilizar recursos dispendiosos, tais como nos modelos computacionais, onde neste caso, são utilizados computadores mais avançados, software, programas de cálculos, etc.
2.1.6 Modelos prescritivos
Esses modelos, em geral, tendem a prescrever o processo de projeto de uma forma global, sugerindo o melhor caminho para a sua execução. Eles usualmente oferecem um algoritmo sistemático para proceder na execução do projeto, através de uma metodologia particular.
A seguir são apresentados alguns modelos prescritivos, com suas principais características. Dentre estes, será escolhido o modelo que mais se adequa à realização do projeto do microposicionador angular proposto.
Modelo de J. C. Jones
O modelo de Jones é constituído basicamente por três estágios: análise, síntese e evolução do problema. O primeiro estágio engloba a descrição de todos e quaisquer fatores relacionados ao problema. No
segundo estágio, são usadas técnicas de criatividade, como por exemplo “brainstorming”, para gerar idéias e soluções das especificações. Fazendo uma iteração entre as idéias surgidas no processo criativo e os fatores relacionados ao problema do primeiro estágio, surge uma combinação parcial das soluções compatíveis. No último estágio do modelo, são envolvidas atividades de operação e manufatura do produto, além da detecção de erros que possam ser corrigidos (JONES, 1970). Esse modelo destaca a necessidade de estabelecer especificações como solução do problema proposto, através de iterações entre os fatores de projeto.
Modelo de Asimow
ASIMOW (1968) exibe o processo de projeto em sete fases, sendo as três primeiras fases primárias e as últimas fases relacionadas com o ciclo de produto-consumo. Neste trabalho é dado enfoque apenas às três primeiras fases, pois é a partir daí que inicia-se o processo de projeto. As três fases representadas são: estudo da exeqüibilidade do projeto, projeto preliminar e projeto detalhado.
1. Estudo da exeqüibilidade do projeto: tem como objetivo reunir um conjunto de soluções úteis para os problemas do projeto. São geradas soluções plausíveis e, essas soluções, são analisadas a fim de se obter a realização física, econômica e financeira do produto.
2. Projeto preliminar: a meta do projeto preliminar é estabelecer qual das alternativas propostas apresenta a melhor concepção para o projeto. Os aspectos críticos do projeto devem ser verificados com a finalidade de se validar sua concepção e de se fornecerem as informações essenciais para a fase posterior.
3. Projeto detalhado: fornece as descrições de engenharia do projeto verificado. Os sub-sistemas, componentes e partes do produto são completamente projetados e, juntamente com isso, são preparados seus respectivos desenhos.
O processo de projeto, assim como discutido por Asimow, é dividido em vários passos dentro das três fase de projeto, tais como, análise, síntese, evolução, decisão, otimização e revisão (ASIMOW, 1968). Este é um dos seus aspectos mais importantes.
Modelo de Pahl e Beitz
Pahl e Beitz apresentam seu modelo de projeto em quatro fases: (a) esclarecimento do assunto; (b) projeto conceitual; (c) protótipo e (d) projeto detalhado. A primeira fase envolve a coleta de todas as informações sobre a solução do problema. A segunda fase envolve a pesquisa dos princípios de soluções e uma combinação dos conceitos variantes. Na fase de construção do protótipo, o projetista determina o “layout” e desenvolve um método para construção de um protótipo, de acordo com as considerações técnicas e econômicas. Na última fase, são colocadas todas as dimensões, propriedades superficiais e de forma para todas as partes individuais, os materiais são especificados, os desenhos e outros documentos são produzidos (PAHL & BEITZ, 1996).
Modelo de Watts
Watts representa o processo de projeto por um modelo icônico e apresenta sua relação dinâmica com o meio ambiente. O processo de
projeto consiste de três estágios: análise, síntese e evolução, como também é proposto por Jones. Pode-se observar através da FIGURA 2.3 que o processo de projeto segundo Watts tem um desempenho cíclico, ou seja, sai de um nível inferior (abstrato) para um nível superior (concreto), representando as fases do projeto. No decorrer desse caminho (do abstrato ao concreto), o projetista vai tomando decisões e reiterando o processo de projeto, formando a estrutura vertical do cilindro (Dm, Dn, etc.). O processo pode ser considerado completo quando o projetista consegue combinar as exigências do projeto (P) com um ambiente particular (E), de forma a ter como produto final um artefato , isto é, o projeto final sob a influência de todos os fatores externos (N), necessários para o sucesso desse projeto. Esses fatores externos podem ser dados pela reputação do projetista e por outros efeitos do meio sócio-econômico.
Evol ução Síntese Anális e Decisão Concreto Abstrato (E ) N D D m D n ( ) P
FIGURA 2.3 – Modelo de Watts (EVBUOMWAN et al., 1996).
Modelo de Marples
Este modelo representa uma forma para resumir o processo de projeto como um resultado de estudo de caso. Este estudo de caso é mostrado de forma ilustrativa, como uma seqüência de decisões. Assim, inicia-se com o problema de uma forma geral e termina-o com uma proposta
de melhor solução, de acordo com as exigências e especificações previamente estabelecidas. Isso é representado pela árvore de Marples, mostrada na FIGURA 2.4. O 2 1 1 1 2 1 1 2 2 1 2 1 1 2 2 2 1 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 3 1 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 3 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 1 2 2 3 2 3 1 2 3 1 1 3 1 3 2 3 3 3 3 2 1 3 3 1 1 3 3 1 3 3 2 3 2 1 3 2 1 1 2 3 2 p p p p p2 1 p p p p p p p p p p p p p p p a a a a a a a a a a a a a a a a a 1 2 3 a = A l t e r n a t i v a p = S u b - p r o b l e m a S o l u ç ã o r e j e i t a d a S o l u ç ã o a c e i t a
FIGURA 2.4 – Modelo de Marples (EVBUOMWAN et al., 1996).
Para um determinado nó, são derivados sub-problemas como sendo uma possível solução para o problema inicial. Dentre esses sub-problemas, faz-se a melhor escolha até surgir a resposta final para a resolução do problema, como pode ser observado na FIGURA 2.4.
O modelo de Marples envolve três fases principais: síntese, evolução e decisão. Na fase de síntese, são envolvidas duas atividades, as quais são a pesquisa para as possíveis soluções e o estudo detalhado dessas soluções propostas. A segunda fase é a evolução das soluções viáveis segundo certos critérios adotados. A fase da decisão é feita diante da escolha de uma solução particular.
Em seu modelo, Archer define a metodologia de projeto em seis estágios:
1. Programação: estabelece o problema e a proposta de ação; 2. Coleta de dados: coleta e classifica os dados;
3. Análise: identifica os sub-problemas, prepara as especificações do projeto, reconsidera e estima o programa proposto;
4. Síntese: prepara as propostas do projeto;
5. Desenvolvimento: desenvolve o protótipo de projeto, prepara e executa os estudos de validação;
6. Comunicação: prepara os documentos para a manufatura.
Estes seis estágios podem ser agrupados e classificados em três fases: analítica, criativa e executiva, como mostra a FIGURA 2.5. Na descrição de seu modelo, Archer comenta que: ‘...as características especiais do processo de projeto são dadas pela fase analítica, que requer a observação dos objetivos e raciocínio indutivo, e pela fase criativa que envolve o julgamento subjetivo e o raciocínio dedutivo. As decisões cruciais já foram tomadas, então o processo de projeto continua com a execução de desenhos, esquemas etc.’.
Programação Coleta de dados Análise Síntese Desenvolvimento Comunicação Solução Experiência Fase analítica Fase criativa Fase excecutiva Instruções Treinamento Programação Coleta de dados Análise Síntese Desenvolvimento Comunicação Observação Raciocínio indutivo Evolução Julgamento Raciocínio dedutivo Decisão Descrição Transmissão ( a ) ( b )
Modelo de Krick
Em seu modelo, Krick descreve o processo de projeto em cinco estágios: formulação, análise, pesquisa, decisão e especificação do problema. O primeiro passo envolve a definição clara do problema a ser resolvido. O segundo passo envolve a análise do problema chegando a uma definição detalhada das especificações, restrições e critérios. No terceiro passo, é feita a pesquisa para gerar as soluções alternativas, usando criatividade e pesquisa. O estágio de decisão envolve a evolução e comparação das soluções alternativas até encontrar a melhor solução. Finalmente, o quinto passo, envolve uma documentação detalhada da escolha de projeto com desenhos técnicos, artigos e um possível modelo icônico (KRICK, 1970). Um esquema do modelo de Krick pode ser observado na FIGURA 2.6.
Análise do problema Formulação do problema
Procura das soluções
Decisão
Especificação
Modelo de Nigel Cross
Cross expressa o processo de projeto em seis estágios, através de um modelo problema/solução de uma forma simétrica. Os seis estágios são: esclarecimento dos objetivos, estabelecimento das funções, especificação do projeto, geração das alternativas, evolução das alternativas e detalhes de projeto, como mostra a FIGURA 2.7. Para cada estágio é aplicado um método de solução. No primeiro estágio, o método árvore é usado para esclarecer os objetivos e sub-objetivos e a relação entre eles. O método de análise de função é então usado para estabelecer a função requerida e os limites de sistemas. O terceiro estágio envolve um conjunto de exigências, onde são feitas certas especificações usando o método de especificações de desempenho. O método morfológico é usado no quarto estágio para gerar todas as soluções alternativas do projeto. No quinto estágio, há uma evolução das alternativas de projeto usando o método de análise de valor para comparar a utilidade de valores das propostas alternativas do projeto. O sexto estágio envolve o estabelecimento dos detalhes de projeto usando o método de engenharia de valor a fim de aumentar ou manter o valor final do produto, reduzindo seu custo de produção (CROSS, 1994).
Problema Solução Sub-problemas Sub-soluções Esclarecimento dos objetivos Estabelecimento das funções Especificações do projeto Detalhes do projeto Evolução das alternativas Geração das alternativas
Modelo de Hubka
O modelo de Hubka representa o processo de projeto em quatro fases e seis passos (EVBUOMWAN et al., 1996). Essas fases e passos são:
Fase 1: Elaboração de um determinado problema
Passo 1: elaborar ou esclarecer determinadas especificações Fase 2: Projeto conceitual
Passo 2: estabelecer a estrutura funcional Passo 3: estabelecer o conceito
Fase 3: Esboço
Passo 4: estabelecer um “layout” preliminar Passo 5: estabelecer um “layout” dimensional
Fase 4: Elaboração
Passo 6: elaboração e detalhamento do projeto
Modelo de French
Este modelo, como mostra a FIGURA 2.8, é baseado nas seguintes atividades de projeto:
1. Fase da análise do problema - envolve a identificação das necessidades a serem satisfeitas.
2. Fase de projeto conceitual - envolve a geração de várias soluções na forma de esquemas.
3. Fase de construção de protótipos dos esquemas propostos - envolve o desenvolvimento de protótipos.
4. Fase de detalhamento - o esquema escolhido é trabalhado em detalhes finais.
Desenhos, etc Seleção de esquem as Especificação do problema Necessidade Análise do Problem a Projeto conceitual Incorporação dos esquem as Detalham ento F e ed b ack
FIGURA 2.8 – Modelo de French (EVBUOMWAN et al., 1996)
Modelo de Back
Segundo o modelo de Back, o processo de projeto passa diretamente por oito fases: estudo da viabilidade, projeto preliminar, projeto detalhado, revisão e testes, planejamento da produção, planejamento do mercado, planejamento do consumo, planejamento da obsolescência, sendo que somente as quatro primeiras fases são de interesse para esse estudo. A primeira fase tem como objetivo a elaboração de um conjunto de soluções úteis para o projeto, explorando os problemas gerados pelas necessidades e
identificando seus elementos, tais como parâmetros, limitações e critérios importantes. Essas soluções são filtradas ou separadas através da viabilidade física, econômica e financeira. O objetivo da segunda fase é estabelecer qual das alternativas propostas apresenta a melhor concepção para o projeto. A terceira fase fornece as descrições de engenharia de um projeto verificado através do projeto detalhado ou das especificações dos componentes. Na quarta fase, são feitas constantes verificações e testes experimentais, principalmente de soluções ou componentes cujo desempenho ainda é desconhecido. São construídos modelos experimentais para verificar formulações ainda não testadas (BACK, 1970).
Modelo VDI 2221
Esse modelo foi proposto por um grupo de pesquisadores alemães, Verein Deutscher Ingenieure (VDI), ‘Aproximação sistemática do projeto de sistemas técnicos e produtos’. O modelo VDI descreve o processo de projeto em sete estágios, como mostra a FIGURA 2.9. Esses estágios envolvem:
1. Esclarecimento e definição do problema de projeto; 2. Verificação das funções e de suas estruturas;
3. Pesquisa dos princípios de soluções para todas sub-funções e de suas estruturas;
4. A divisão da solução em módulos realizáveis; 5. Configurações dos módulos principais;
6. Configuração do produto total;
Estágios Resultados Passos Lista de requisitos Estrutura de funções Solução inicial Estrutura modular Projeto preliminar Projeto detalhado Documentação do produto Esclarecer formulação do projeto
Verificação das funções e de suas estruturas
Pesquisa dos princípios de soluções e de suas estruturas
Estruturação em módulos
Configuração dos módulos principais
Configuração do produto total
Fixação das informações de execução e de uso Tarefa Produto 1 2 3 4 5 6 7
FIGURA 2.9 – Modelo VDI 2221 (MARIBONDO et al., 1998)
2.1.7 Uma avaliação crítica dos modelos prescritivos
Através de uma revisão mais profunda dos modelos prescritivos dos processos de projeto, nota-se que a maioria deles baseia-se em passos que podem ser considerados como atividades de projeto (análise, síntese,
evolução, decisões, modelagem, etc.), enquanto outros modelos tomam como base fases/estágios de projeto (projeto conceitual, construção de protótipos e projeto detalhado).
Os modelos baseados nas fases/estágios do processo de projeto, incluem Asimow, Pahl e Beitz, Watts, Hubka, French, Back e VDI 2221. Com a exceção de French e VDI 2221, os outros modelos contêm uma forma mais detalhada para cada uma das fases/estágios. No modelo de Watts, observam-se somente duas fases do projeto, isto é, a abstrata e a concreta, com um intervalo entre elas representado por um processo cíclico (iterativo, refinado e progressivo).
Os modelos de Pahl e Beitz e VDI 2221 abordam os temas de projeto de produtos modulares e modularidade em produtos industriais. Entretanto, seus conceitos ainda não estão totalmente uniformizados e suas sistemáticas não estão bem documentadas. Desta forma, essas metodologias não deixam claro quais os “possíveis caminhos” a serem percorridos pelos projetistas, a fim de desenvolver uma família de produtos, a partir da combinação de um grupo de componentes básicos (MARIBONDO, 1998).
Os modelos baseados nas atividades de projeto, incluem Jones, Marples, Archer, Krick e Cross. Pode ser observado em todos os modelos três características predominantes, isto é, análise, síntese e evolução. Na maioria dos casos, a análise é utilizada para analisar o problema de projeto, suas exigências e especificações. A síntese refere-se às idéias geradas, propondo soluções para os problemas de projeto e avaliando essas soluções de acordo com as exigências e especificações do projeto, associados a certos critérios definidos. No modelo de Krick, o estágio de síntese foi substituída pela pesquisa e o estágio da evolução pela decisão.
As atividades de análise, síntese e evolução representam a parte central do processo de projeto. Se o problema não for analisado corretamente, de acordo com as suas exigências, poderá haver dificuldades
na procura de soluções ou surgir soluções impróprias como resolução do problema. No entanto, criando soluções plausíveis para o problema, existe a necessidade de evolução, como o teste que assegura a fidelidade das exigências e especificações originais em conjunto aos critérios adotados.
Além destas três atividades, existem outras que podem também ser necessárias durante o processo de projeto. São elas: otimização, revisão, coleta de dados, documentação, comunicação, seleção, tomada de decisão, modelagem, etc. Algumas dessas atividades foram incluídas em vários modelos.
De acordo com as características predominantes dos modelos especificados anteriormente e através de uma avaliação crítica para o projeto de um microposicionador angular para mecânica de precisão, como proposto neste trabalho, será utilizado o modelo de Krick. Esta escolha é justificada pelo fato do projeto deste microposicionador angular exigir um profundo estudo das características intrínsecas dos vários tipos construtivos, provenientes de uma pesquisa bibliográfica ou através de observações de mecanismos já existentes em máquinas ou equipamentos de precisão. Justifica-se ainda, a escolha pelo modelo de Krick, quando a evolução é substituída pela decisão pois, neste caso, pode-se usar o método de análise de valor (discutido no item 2.1.4), onde os componentes de precisão exigem um alto nível de qualidade. Para o projeto do microposicionador, tem-se o objetivo de alcançar precisão nanométrica.
Após a escolha dos componentes do microposicionador angular, será feita uma modelagem cinemática de seus mecanismos, com o intuito de verificar sua funcionalidade, de acordo com as exigências do projeto.
2.1.8 Um estudo mais profundo do modelo de Krick
Diante do exposto, será feita uma explanação sobre o modelo de Krick, com o objetivo de explicar os estágios comentados em seu modelo, disseminando seus fundamentos e desenvolvendo o processo de projeto.
O primeiro passo no sentido de resolver qualquer problema de projeto de engenharia é a definição desse problema, sendo necessário identificar as suas características mais relevantes. As soluções alternativas não serão todas igualmente convenientes. Portanto, terão que ser comparadas entre si. Por um processo de eliminação, baseando-se num critério dado, aparecerá no fim uma solução adequada.
O processo geral recomendado para a solução dos problemas de engenharia, segundo KRICK (1970), pode ser observado na FIGURA 2.10 e compreende as seguintes fases:
Fase da formulação - o problema é definido em termos relativamente amplos e genéricos.
Fase da análise - o problema passa a ser definido em termos relativamente pormenorizados. Compreende a coleta, o exame, o processamento e a seleção de informações, com intuito de determinar as características específicas do problema.
Fase da procura das soluções alternativas – busca-se soluções por meio de criatividade, consultas etc.
Fase da decisão - as soluções alternativas são avaliadas, comparadas e eliminadas até, dentre elas, surgir a melhor.
Fase da especificação - resulta na descrição completa das características físicas e no desempenho da solução escolhida.
Processo solucionador Análise do problema
Formulação do problema
Procura das soluções
Decisão Especificação Identificação do problema a resolver Solução completamente especificada
FIGURA 2.10 – Modelo de Krick
2.1.8.1 Formulação do problema
Os objetivos da fase de formulação são: identificar o problema em termos gerais e verificar se ele merece solução. A formulação é uma visão ampla do problema, onde o problema é definido de uma maneira geral, isento de minúcias. Ela pode ser dada através de algumas idéias ou anotações rascunhadas. Um problema pode ser satisfatoriamente formulado por palavras ou diagramas.
Para resolver um problema satisfatoriamente é necessário melhor conhecimento de suas entradas e saídas, isto é, o que se tem e o que se deseja obter. Este é um dos principais objetivos da análise do problema. Nesta fase, determinam-se todas as características relevantes, quantitativas e qualitativas, dos estados de entrada e saída do problema.
São poucas as características, tanto das entradas como das saídas, que se mantêm inalteráveis. Por isso, para resolver satisfatoriamente um problema, há a necessidade de se obterem informações fidedignas sobre as prováveis flutuações das entradas e saídas.
Um outro objetivo importante da análise é a determinação das condicionantes impostas ao problema. Os critérios a serem aplicados na escolha da melhor solução deverão ser estabelecidos durante a fase da análise do problema.
Os tipos de soluções consideradas na fase da procura das alternativas dependem da importância atribuída aos critérios. Portanto, estes deverão ser fixados antes de passar à fase mencionada a seguir.
2.1.8.3 Procura de soluções
O objetivo desta fase é descobrir as soluções possíveis para o problema. Neste caso, raramente tem-se como resultado um conjunto de soluções completas e mutuamente exclusivas. Pelo contrário, é provável que os resultados consistam essencialmente de soluções parciais relativas a somente alguns dos estágios ou das variáveis que a solução completa finalmente comportará.
Na busca de soluções para determinados problemas, dever-se-ão experimentar alternativas em todas as áreas que ofereçam perspectivas de conter a solução ótima. Porém, existem medidas cautelosas a serem
tomadas, evitando uma procura feita a esmo. Três dos meios de reduzir o caráter aleatório dessa busca são: (1) tomar como base o volume de produção, a utilização e os critérios; (2) sistematizar decisivamente a procura; (3) utilizar certos processos matemáticos e gráficos que facilitem a localização da solução ótima (KRICK, 1970).
A utilização, o volume da produção e os critérios relativos ao problema servem, até certo ponto, para orientar na localização geral das áreas que mais provavelmente possam conter a solução ótima.
Outro meio de tornar o processo menos aleatório é a adoção de medidas que sistematizem diretamente a procura. Isto se torna possível principalmente pela organização das idéias, indagações e pesquisas, de modo a levar em consideração grande variedade de soluções essencialmente diversas.
Um terceiro meio de orientar a procura no espaço de soluções consiste em processos matemáticos e gráficos que auxiliam quantitativamente a localização da solução ótima.
Das inúmeras soluções possíveis para qualquer problema, se algumas são relativamente complexas, outras são admiravelmente simples, mas nem por isso menos eficazes. Como regra geral, as idéias simples tendem a ser as mais econômicas de produzir, de usar e, também, aquelas cujo funcionamento inspira maior confiança.
2.1.8.4 Tomada de decisão
No processo do projeto, após o levantamento de todas alternativas possíveis, procede-se a fase de tomada de decisão.
Nesta fase, tomar uma decisão significa assumir um compromisso direto com o projeto. Nesta oportunidade todos os fatores deverão ser ponderados. A decisão correta será aquela que melhor pondere as variáveis otimizando o valor total (RUFFINO, 1991).
Existem teorias que apresentam a metodologia para se atingir o compromisso otimizado (NUTT, 1998). Os métodos de otimização, o estudo das probabilidades, os cálculos estatísticos e a análise de valores são aplicáveis nesta oportunidade. Por estes caminhos ter-se-á a solução objetiva (RUFFINO, 1991).
Por outro lado, muitas vezes, a solução provém de fatores humanos, não quantitativos, e a complexidade aumenta. Isto considerando que a solução final será composta pela solução objetiva e pela solução subjetiva (NARUTAKI et al., 1996).
Em qualquer processo de decisão é necessário ter as metas bem definidas – o objetivo deve ser claro. A função produto ou função resultado pode ser um simples item ou uma combinação ponderada de vários itens (PAHL &BEITZ, 1996).
Segundo KRICK (1970), os conhecimentos e métodos especializados a empregar dependem da natureza do problema, da complexidade e da variedade das alternativas, da importância relativa da decisão e de muitas outras circunstâncias. Os processos de decisão variam desde os mais elaborados e exaustivos, que requerem medidas, pesquisas, previsões e comparações de custos, até o julgamento rápido, simples e informal. Embora as características específicas possam variar de situação para situação,
quase sempre as quatro etapas abaixo deverão ser obedecidas para chegar-se a uma decisão consciente: (1) escolher o critério; (2) prever a eficácia das soluções alternativas; (3) comparar a eficácia prevista para as alternativas; e (4) proceder à escolha da solução.
1. Escolha dos critérios - Os critérios estabelecidos, pelo menos em seus termos gerais, como parte da análise do problema, constituem a base para a escolha da solução mais conveniente.
2. Previsão do desempenho - É de grande importância a previsão satisfatória da maneira pela qual as soluções alternativas, se adotadas, comportar-se-iam com relação aos critérios estabelecidos.
3. Comparação das alternativas - Para permitir uma escolha consciente, o desempenho das alternativas deverá ser comparado pelo critério adotado.
4. Função de otimização - A otimização compreende a procura das soluções e a tomada de decisão. A análise de valor é um importante caminho para encontrar um bom projeto.
Dentre todas as alternativas possíveis para o processo de tomada de decisão, será utilizada neste trabalho, a técnica de análise de valor, descrita no item 2.1.4. De acordo com um conjunto de princípios técnicos, estabelecidos durante a fase de formulação, análise do problema e procura de soluções capazes de satisfazer a função global de posicionamento e suas sub-funções, através de uma avaliação, será escolhida a melhor variante (solução) para cada uma das funções exigidas na tarefa de posicionamento. Para isso será empregado o método de combinação de variantes de princípios técnicos.
Método de combinação de variantes
O método de combinação de variantes consiste na combinação de princípios técnicos, capazes de realizar a função global e suas sub-funções, de acordo com os parâmetros de projeto (TAVARES, 1995).
Função global é uma função que reúne todas as demais funções
(sub-funções) que um produto possa ter (PAHL & BEITZ, 1996).
A função global do microposicionador é posicionar a peça/ferramenta com precisão e resolução, com deslocamentos nas direções x, y e z. Esta função subdivide-se em diversas sub-funções necessárias à execução do posicionamento.
O próximo passo é avaliar cada uma das combinações das variantes técnicas agrupadas segundo uma sub-função em comum, submetendo estas combinações a critérios de avaliação.
Os critérios de avaliação têm como objetivo determinar seqüencialmente as variantes de princípios técnicos que satisfazem determinadas sub-funções, arbitrando valores absolutos para as variantes e para os critérios. Os valores são expressos por pontos. Como resultado, obtém-se uma variante ótima ou uma ordem de preferências hierárquicas de variantes (PAHL & BEITZ, 1996).
Segundo HÖNHE (1990b), a FIGURA 2.11 esquematiza a seqüência de passos envolvidos no método de avaliação de variantes técnicas.
Número de variantes
Coletar as variantes
Determinar critérios
Determinar fatores de influência
Determinar valores para variantes e critérios
Calcular avaliação total
Decidir
Variante ótima
Tendo sido determinados os sub-valores para todas as variantes, o valor global pode ser calculado. Assim, o valor global de uma variante j pode ser determinada segundo a equação 2.1:
n 1 i n 1 i wvij ij v i w j Owv (2.1)
onde: Owvj = valor global
vij = sub-valor da variante i em relação ao critério j wi = peso i-ésimo do critério j
i = variante j = critério
n = número de critérios
A equação 2.1 mostra que o valor global de uma variante j pode ser determinado através do somatório dos “n” pesos dos critérios de projeto, especificados de acordo com as suas exigências (rigidez, precisão, etc. do posicionador), multiplicado pelo sub-valor das variantes do projeto (acionamento, transmissões, etc.) em relação ao peso específico dos critérios.
Se uma comparação relativa das variantes for considerada insuficiente, então o valor global refere-se a um valor ideal imaginário que resulta segundo o valor máximo atribuído aos critérios, como mostra a equação 2.2 (PAHL & BEITZ, 1996 & HÖHNE, 1990b). Isto é, determina-se o valor global como na equação 2.1 e divide-se o produto pelo valor máximo atribuído e somatório dos valores destes critérios.
Quando se determina o valor global deste modo, calcula-se o valor mínimo que cada variante pode obter dentro das exigências de projeto. Desta forma, tem-se que:
n 1 i i w max v n 1 i ij v i w n 1 i i w max v j Owv i X (2.2)
onde: Xi = valor global segundo o valor máximo vmax = valor máximo de todas as variantes
