DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias
Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
IVAN JUNIOR MANTOVANI
DESENVOLVIMENTO E CONSTRUÇÃO DE SOLUÇÕES
MECATRÔNICAS DE BAIXO CUSTO
Panambi 2016
DESENVOLVIMENTO DE SOLUÇÕES MECATRÔNICAS DE BAIXO
CUSTO
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Mecânica apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Orientador(a): Cristiano Rafael Lopes
Co-orientador(a): Antonio Carlos Valdiero
Panambi 2016
IVAN JUNIOR MANTOVANI
DESENVOLVIMENTO DE SOLUÇÕES MECATRÔNICAS DE BAIXO
CUSTO
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA MECÂNICA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelos membros da banca examinadora.
Panambi, Junho de 2016
Prof. Cristiano Rafael Lopes
Mestre pela Universidade de Passo Fundo – Orientador Prof. Antonio Carlos Valdiero
Doutor pela Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC – Co-orientador
BANCA EXAMINADORA
Prof. Felipe Tusset
A minhas avós, Anita Maria Basso Mantovani e Neusa Barcellos de Moura, pelo carinho, estímulo e ajuda, nesses anos de universidade. Dedico-lhes esta conquista como gratidão.
BIOGRAFIA DO AUTOR
Ivan Junior Mantovani nascido em 1993 no município de Pejuçara no estado do Rio Grande do Sul. Completou sua formação no ensino médio em 2009 e sua formação de Técnico em Mecatrônica em 2011 no Colégio Evangélico Panambi - CEP, em Panambi-RS, está cursando o último semestre do curso de Engenharia Mecânica na Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - UNIJUÍ. Trabalhou de 2011 à 2013 na empresa Fockink, inicialmente como montador de painéis elétricos e posteriormente como projetista junior, em 2015 participou do programa de voluntariado da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, no Laboratório de Projetos, sendo orientado pelo Professor Antonio Carlos Valdiero, neste mesmo ano iniciou uma bolsa de iniciação cientifica pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq, através do projeto de pesquisa “Desenvolvimento de Tecnologias Criativas para Conforto Térmico e Acústico”, tendo como orientador o mesmo professor do voluntariado, que estende-se até hoje.
AGRADECIMENTOS
A toda minha família, e minha namorada Jéssica Schimuneck dos Santos que sempre esteve ao meu lado em todos os momentos.
Ao professor Cristiano Rafael Lopes pelo tempo dedicado à orientação e apoio na elaboração deste trabalho.
Ao professor Antonio Carlos Valdiero pelo tempo dedicado à co-orientação e apoio na elaboração deste trabalho.
Ao professor Luiz Antônio Rasia pelo auxilio na construção dos protótipos, na área da eletrônica.
Aos meus colegas Andrei F., Odmartan R. M., João P. S. W., Felipe B., Giovani P. B. D. e Mônica R. A., bolsistas do Laboratório de Projetos que auxiliaram na construção dos protótipos.
Aos bolsistas das escolas de ensino médio participantes do projeto de pesquisa “Desenvolvimento de soluções criativas para conforto térmico e acústico” que auxiliaram na construção do protótipo da mini casa.
À Universidade Regional do Noroeste do Rio Grande do Sul, pelos conhecimentos, ferramentas e disponibilização dos laboratórios e materiais necessários para a elaboração deste trabalho.
“Os que se encantam com a prática sem a ciência são como os timoneiros que entram no navio sem timão nem bússola, nunca tendo certeza do seu destino”
RESUMO
O presente trabalho descreve o desenvolvimento e construção de soluções mecatrônicas de baixo custo para as áreas de automação residencial e industrial, caracterizadas por dois Cases. Os Cases foram desenvolvidos através de uma metodologia clássica de projeto de produto e com tecnologias bem difundidas na engenharia atual. Os projetos dos cases foram desenvolvidos no Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas (NIMASS), com apoio financeiro da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul (FAPERGS), através do projeto de pesquisa e desenvolvimento (P&D) de título “Desenvolvimento de Tecnologias Criativas para Conforto Térmico e Acústico”. Com o aumento exponencial dos níveis de produção, exigências de qualidade é obrigatório uma grande respeitabilidade na produção, a implementação de sistemas mecatrônicos na indústria é um processo irreversível, pois são algumas das vantagens que os mesmos proporcionam. Estes sistemas mecatrônicos bem difundidos na indústria, demonstraram vantagens que podem ser aplicadas em residência, com isso, tornou-se uma adoção cada vez mais intensa na implementação de sistemas complexos de controle residencial. No Case 1 é desenvolvida e construída a automação de uma célula de manufatura acionada pneumaticamente, com funções de alimentar, fixar para realização de uma tarefa genérica e expulsar uma peça. No Case 2 é desenvolvido e construído a automação de uma mini casa, cuja as funções são, fazer leituras de temperatura e umidade relativa do ar interno e externo, apresentar as leituras em uma Interface Homem Máquina (IHM) e acionar abertura e fechamento das janelas e a iluminação da casa através da IHM. Através das metodologias implantadas este estudo resultou na concepção de dois protótipos de automação industrial e residências de baixo custo.
Palavras-chave: Sistema Mecatrônico, Automação Industrial, Automação Residencial, Arduino.
ABSTRACT
The current monograph describe the mechatronic system development and construction of low-price, in the areas of industrial and home automation, in two cases. The cases were developed through of a product design classic methodology and with widespread technology in the current engineering. The projects of the cases were developed at the Innovation Center for Automatic Machines and Servo Systems (NIMASS) in UNIJUÍ, with support by Higher Education Personnel Improvement Coordination (CAPES) and Research Support Foundation of the State of Rio Grande do Sul (FAPERGS), by Research and Development Projects (P&D) with name “Desenvolvimento de Tecnologias Criativas para Conforto Térmico e Acústico”. With an exponential rise in production levels, quality requirements and high respectability in the production mandatory, the implementation of the mechatronic system at the industry is an irreversible process, because are some advantages it provides. The mechatronic system widespread in the industry, it demonstrated advantages that can be applied at home, it became increasingly intense adoption in implementing complex systems of home control. In Case 1 is developed and built the automation of a pneumatically actuated manufacturing cell, with features food, set to perform a general task and drive a piece. In Case 2 is developed and built the automation of a little house, whose functions are to temperature readings and relative humidity of indoor and outdoor air, present the readings in an Interface Machine Human (IHM) and drive opening and closing of windows and the lighting of the house through the IHM. Through the methodologies implemented this study resulted in the design of two prototypes industrial and home automation of low-cost.
Keywords: Mechatronic System, Industrial Automation, Home Automation and
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Fotos das instalações do NIMASS ... 18
Figura 2 - Diagrama do sistema mecânico passivo ... 21
Figura 3 - Diagrama do sistema mecânico ativo ... 22
Figura 4 - Diagrama do sistema mecatrônico ... 23
Figura 5 - Foto do CLP Siemens, linha S7-1200 ... 24
Figura 6 - Foto do Arduino Genuino UNO ... 25
Figura 7 - Foto da placa de entradas e saídas dSPACE ... 26
Figura 8 - Campos de aplicação para escolha do tipo de atuador ... 27
Figura 9 - (a) Motor trifásico; (b) Motores de passo ... 28
Figura 10 - Unidade de fonte de ar comprimido industrial ... 29
Figura 11 - Unidade de preparação de ar comprimido ... 29
Figura 12 - (a) Válvula direcional comandada por solenoide; (b) Servoválvula; (c) Válvula reguladora de fluxo manual; (d) Válvula reguladora de pressão manual. ... 30
Figura 13 - (a) Cilindro pneumático com haste de dupla ação; (b) Cilindro pneumático sem haste 31 Figura 14 - Composição básica de um sistema hidráulico... 32
Figura 15 - Diagrama de mecanismos quatro barras ... 33
Figura 16 - Mecanismos biela manivela ... 34
Figura 17 - (a) Engrenagem de dentes retos; (b) Engrenagens cônicas; (c) Engrenagens de dentes helicoidais e eixo paralelo; (d) Engrenagem espinha de peixe; (e) Sem fim; (f) Engrenagens helicoidais com eixos transversos ... 35
Figura 18 - (a) Chave mecânica fim de curso; (b) Sensor capacitivo; (c) Sensor indutivo; (d) Sensor óptico; (e) Sensor magnético; (f) Sensor ultrassónico ... 37
Figura 19 - (a) Potenciômetro; (b) Sensor de posição linear; (c) Encoder ... 38
Figura 20 - Termopar ... 39
Figura 21 - (a) Tela inicial do supervisório; (b) Bancada didática ... 40
Figura 22 - Fluxo de funcionamento do sistema de automação ... 41
Figura 23 - Plataforma experimental para a realização de testes ... 42
Figura 24 - Concepção do sistema ... 42
Figura 25 - Desenho tridimensional da célula de manufatura controlada pneumaticamente ... 45
Figura 26 - (a) Cilindro pneumático A e B; (b) Cilindro pneumático C; (c) Sensor magnético para cilindro pneumático; (d) Válvula direcional 5/2 acionada por solenoide; (e) Válvula de controle de fluxo; (f) Sensor ótico de proximidade 46
Figura 27 - Circuito pneumático do sistema ... 47
Figura 28 - (a) Cilindro pneumático A avança; (b) Cilindro pneumático B avança .... 48
Figura 29 - (a) Cilindro pneumático A e B recuam; (b) Cilindro pneumático C recua 49 Figura 30 - Cilindro pneumático C avança ... 49
Figura 31 - Principais portas de comunicação do Arduino UNO ... 50
Figura 32 - Circuito eletrônico para conectar um sensor de contato eletromecânico e o Arduino UNO ... 51
Figura 33 - Circuito eletrônico de interface entre sensor de proximidade e o Arduino UNO ... 52
Figura 34 - Circuito eletrônico de interface entre solenoide das válvulas e o Arduino UNO ... 53
Figura 35 - Circuito eletrônico das fontes rebaixadoras de tensão ... 54
Figura 36 - Diagrama Traço-Passo da célula de manufatura acionada pneumaticamente. ... 55
Figura 37 - Processo de fabricação das placas eletrônicas ... 56
Figura 38 - (a) Foto da placa receptora de sensores do tipo contato eletromecânico; (b) Foto da placa responsável pelo acionamento de cargas; (c) Foto do painel de controle do projeto; (d) Foto da fonte de alimentação de 9Vcc; (e) Foto da fonte de alimentação de 5Vcc; (f) Foto da placa que faz a interface entre o sensor de proximidade e a placa da Figura 38 (a) ... 57
Figura 39 - (a) Foto frontal e (b) Foto traseira da célula de manufatura acionada pneumaticamente ... 58
Figura 40 - Disposição construtiva das paredes do protótipo. ... 60
Figura 41 - (a) Painel de controle; (b) Células solares; (c) Bateria ... 61
Figura 42 - Diagrama do circuito pneumático. ... 63
Figura 43 - Estação meteorológica ... 63
Figura 44 - (a) Mecanismo de abertura da janela; (b) Compressor de ar; (c) Válvula direcional 5/3; (d) Soquete e lâmpada interna ... 64
Figura 45 - Rede de comunicação sem fio da mini casa ... 65
Figura 46 - Principais portas de comunicação do Arduino DUE ... 66
Figura 48 - Circuito para conexão do sensor de luminosidade no Arduino DUE ... 68
Figura 49 - Circuito para conexão do sensor de luminosidade e o sensor DHT 11 no Arduino DUE ... 68
Figura 50 - Circuito para conexão do LCD no Arduino DUE, e um interruptor para acionamento do painel de comando ... 69
Figura 51 - Lógica de programação do controlador (a) e do aplicativo no smartphone (b) ... 72
Figura 52 - Fotos da construção da mini casa ... 73
Figura 53 - (a) Foto do painel de comando da mini casa; (b) Caixa com sensor de luminosidade instalada na parte exterior da mini casa; (c) Caixa com sensor de luminosidade e DTH 11 instalada na parte interior da mini casa; (d) Caixa com o LCD e interruptor do painel de controle ... 74
Figura 54 - Tela principal do aplicativo do smartphone ... 76
Figura 55 - Montagem dos teste realizados com a célula de manufatura acionada pneumaticamente. ... 78
Figura 56 - Testes da mini casa ... 79
Figura 57 - Foto da mini casa no 2º Concurso de Pórticos UNIJUÍ ... 82
Figura 58 - Foto da do estande UNIJUÍ no Rotary Day ... 83
Figura 59 - Foto da exposição da mini casa: e a célula de manufatura acionada pneumaticamente ... 83
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Especificações técnicas dos cilindros pneumáticos ... 45
Tabela 2 - Especificações técnicas das válvulas pneumáticas ... 46
Tabela 3 - Especificações técnicas do sensor de proximidade infravermelho ... 48
Tabela 4 - Especificações técnicas do Arduino UNO ... 50
Tabela 5 - Tabela de correspondência das nomenclaturas utilizadas no Diagrama Traço-Passo ... 55
Tabela 6 - Especificações técnicas dos cilindros pneumáticos ... 62
Tabela 7 - Especificações técnicas da válvula direcional ... 62
Tabela 8 - Especificações técnicas sensor DHT 11 ... 62
Tabela 9 - Especificações técnicas do Arduino DUE ... 65
Tabela 10 - Protocolo de comunicação do controlador para a estação meteorológica ... 70
Tabela 11 - Protocolo de comunicação da estação meteorológica para o controlador 70 Tabela 12 - Protocolo de comunicação do smartphone para o controlador ... 70
Tabela 13 - Protocolo de comunicação do controlador para o smartphone ... 71
Tabela 14 - Custo do hardware de controle da célula de manufatura acionada pneumaticamente ... 81
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 16
1.1 Generalidades ... 16
1.2 Objetivo, metodologia e organização do trabalho ... 17
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 21
2.1 Descrição de um sistema mecatrônico ... 21
2.1.1 Sistema de controle ... 23
2.1.1.1 Controlador Lógico Programável (CLP) ... 24
2.1.1.2 Plataforma microprocessada ... 24 2.1.1.3 dSPACE ... 25 2.1.2 Acionamento ... 26 2.1.2.1 Elétrico ... 27 2.1.2.2 Pneumático ... 28 2.1.2.3 Hidráulico ... 31 2.1.3 Mecanismo ... 33 2.1.4 Sensores ... 35 2.1.4.1 Sensores de proximidade ... 36
2.1.4.2 Sensores de posição e velocidade ... 38
2.1.4.3 Sensores analógicos de temperatura ... 39
2.2 Estado da arte ... 40
3 DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS MECATRÔNICOS DE BAIXO CUSTO ... 44
3.1 Case 1 – Automação de uma célula de manufatura acionada pneumaticamente ... 44
3.1.1 Descrição do sistema mecânico ... 45
3.1.2 Análise das necessidades ... 48
3.1.3 Projeto do circuito eletrônico de controle ... 49
3.1.4 Projeto lógico ... 54
3.1.5 Construção do protótipo ... 55
3.1.6 Programação do controlador ... 58
3.2 Case 2 – Automação de uma mini casa ... 59
3.2.2 Análise das necessidades ... 64
3.2.3 Projeto do circuito eletrônico de controle ... 65
3.2.4 Projeto Lógico ... 69 3.2.5 Construção do protótipo ... 72 3.2.6 Programação do controlador ... 74 3.2.7 Programação do aplicativo ... 75 4 RESULTADOS ... 78 4.1 Testes ... 78 4.2 Análise de custo ... 80 4.3 Mostra em eventos ... 82 4.4 Trabalhos publicados... 84 CONCLUSÃO ... 85 REFERÊNCIAS ... 87
APÊNDICE A – PROGRAMA DA CÉLULA DE MANUFATURA ACIONADA PNEUMÁTICAMENTE COMENTADO ... 91
APÊNDICE B - PROGRAMA DO CONTROLADOR DA MINI CASA COMENTADO ... 93
APÊNDICE C - PROGRAMA DO APLICATIVO NO SMARTPHONE DA MINI CASA COMENTADO ... 98
ANEXO A - CATÁLOGO CILINDRO PNEUMÁTICO NORGREM HERION ... 101
ANEXO B - CATÁLOGO VÁLVULA DIRECIONAL PARKER ... 102
ANEXO C - DATA SHEET SENSOR ÓPTICO ... 103
ANEXO D - CATÁLOGO CILINDRO PNEUMÁTICO NORGREM HERION ... 105
1
INTRODUÇÃO
1.1 Generalidades
O presente trabalho descreve o desenvolvimento e construção de soluções mecatrônicas de baixo custo para as áreas de automação residencial e industrial, caracterizadas por dois Cases. Os Cases foram desenvolvidos através de uma metodologia clássica de projeto de produto e com tecnologias bem difundidas na engenharia atual. No Case 1 é desenvolvida e construída a automação de uma célula de manufatura acionada pneumaticamente, com funções de alimentar, fixar para realização de uma tarefa genérica e expulsar uma peça. No Case 2 é desenvolvido e construída a automação de uma mini casa, cuja as funções são, fazer leituras de temperatura e umidade relativa do ar interno e externo, apresentar as leituras em uma Interface Homem Máquina (IHM) e acionar abertura e fechamento das janelas e a iluminação da casa através da IHM.
O mundo evolui em uma forma vertiginosa, onde diariamente depara-se com alterações parcial ou total das condições de uma situação no nível micro e macro, com mudanças rápidas e crescentes, que modificam de alguma maneira uma realidade preexistente (IÓRIO, 2002).
Este período em que vivencia-se provavelmente entrará para a história como “Moderna Revolução Industrial”, onde o homem tem o controle dos sistemas da informação, sendo que, investimentos em tecnologias privilegiam a inovação como vantagem competitiva (ROSÁRIO, 2005).
O termo mecatrônica foi utilizado primeiramente no Japão, no final da década de 70, como resultado da comunicação entre a mecânica, eletroeletrônica e processamento digital em produtos de consumo, sendo que esta integração de conceitos pode gerar uma gama muito grande de aplicações (ROSÁRIO, 2005).
O surgimento dos microprocessadores, microcontroladores e controladores programáveis, a preços cada vez mais competitivos foram responsáveis pela substituição de tecnologias antigas de processamento de dados, introduzindo massivamente a microeletrônica e a informática nos sistemas mecânicos em geral, com isso, acarretando o crescimento da automação industrial (BOLLMANN, 1997).
Atualmente a aplicação de sistemas mecatrônicos com redes de comunicação é um processo irreversível para a modernização industrial, com isso, é evidenciado que a não implementação de processos produtivos automatizados nas industrias atuais pode ocasionar o declínio da empresa e até sua falência (ROSÁRIO, 2005).
Após difundir-se os sistemas mecatrônicos na indústria, percebeu-se que suas vantagens poderiam ser aplicadas nas residências, isso ocorreu, principalmente com a evolução da tecnologia e a grande quantidade de estudos desenvolvidos na área. A alta na produção de sensores, atuadores e controladores tornando-os mais acessíveis ao grande público isso mostra que é apenas uma questão de tempo para a adoção cada vez mais intensa de sistemas integrados em nossas residências (MURATORI, 2016).
Neste contexto o desenvolvimento e construção de soluções mecatrônicas de baixo custo para aplicabilidade nas indústrias e nas residências, é importante para a disseminação da automação onde em uma escala de grau de importância os preços elevados dos equipamentos tradicionais estão à frente das inúmeras vantagens que os sistemas mecatrônicos podem proporcionar.
1.2 Objetivo, metodologia e organização do trabalho
Apresenta-se neste trabalho como objetivo geral desenvolver e construir soluções mecatrônicas de baixo custo através de dois Cases. Os projetos foram desenvolvidos no Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas (NIMASS/ UNIJUÍ Campus Panambi, credenciado pela Agência Nacional de Petróleo _ ANP em 13 de outubro de 2014, portaria no. 1.542 do D.O.U), onde são realizados projetos de pesquisa em Automação e Robótica Industrial, Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos, e Automação Aplicada na Geração de Energia Limpa, onde na Figura 1 pode-se visualizar foto das instalações do NIMASS. Este núcleo de pesquisa tem como coordenador o Professor Doutor Antonio Carlos Valdiero e conta com um grupo de bolsistas de iniciação cientifica, mestrandos, doutorandos e professores como seus integrantes.
Os cases foram desenvolvidos através de metodologias clássicas e renomadas na área de projeto de produto propostas por Back (1983), Pahl et al. (2005), Valdiero (2008) e Back et al. (2008). O apoio financeiro para os projetos foi da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e Fundação
de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul (FAPERGS), através do projeto de pesquisa e desenvolvimento (P&D) de título “Desenvolvimento de Tecnologias Criativas para Conforto Térmico e Acústico” (Processo: nº 01628-2551/14-6, Edital CAPES/FAPERGS 03/2014: Programa de Iniciação em Ciências, Matemática, Engenharias, Tecnologias Criativas e Letras - PICMEL).
Figura 1 - Fotos das instalações do NIMASS
Fonte: Próprio autor.
Os cases tem o objetivo específico comum:
Revisar a bibliografia da metodologias de projetos, da metodologias de construção lógica de um sistema mecatrônico industrial, de sistemas
mecatrônicos e seus componentes, de eletrônica básica, de programação de software em multi plataformas.
Porém o restante dos objetivos específicos são diferentes em cada case, sendo que os do case 1 são:
Analisar as necessidades de acordo com funcionamento desejado da célula de manufatura acionada pneumaticamente;
Montar diagramas gráficos do funcionamento desejado da célula de manufatura acionada pneumaticamente, conforme metodologia apresentada; Descrever o projeto e o protótipo da célula de manufatura acionada
pneumaticamente;
Construir Placas de circuitos eletrônicos, e instalá-las no protótipo; Desenvolver um software de controle para o microprocessador;
Testar o funcionamento do protótipo da célula de manufatura acionada pneumaticamente;
Apresentar o custo dos materiais de automação do projeto. E no case 2 os objetivos específicos são:
Analisar as necessidades de acordo com o funcionamento requerido da automação da mini casa;
Apresentar o projeto da mini casa; Construir o protótipo da mini casa;
Construir placas de circuitos eletrônicos, e instalá-las no protótipo; Construir o fluxograma da programação da automação da mini casa;
Desenvolver o software no microprocessador e no Smartphone com sistema operacional Android;
Testar o funcionamento do protótipo da mini casa;
Apresentar o custo dos materiais de automação do projeto.
O trabalho é composto por 4 capítulos iniciando por uma introdução, onde mostra o tema, contextualiza a importância deste trabalho e apresenta os objetivos. No capítulo 2 é desenvolvido uma revisão bibliográfica da maioria dos conteúdos no decorrer do trabalho. O primeiro Case é apresentado no capitulo 3, sendo composto pelas etapas de desenvolvimento de uma célula de manufatura controlada pneumaticamente. O segundo Case é descrito também no capítulo 3, apresentados as etapas que compõem o desenvolvimento da automação de uma mini casa. O
trabalho é encerrado com o capitulo 4 através da realização de teses e uma análise do funcionamento dos equipamentos desenvolvidos nos Cases e as conclusões finais.
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Descrição de um sistema mecatrônico
Os sistemas mecânicos tem como objetivo final proporcionar conforto, bem-estar e segurança, na realização de uma tarefa específica. Porém as tarefas não são fixas e exigem que o sistema mecânico execute-as de maneira diferente. A capacidade de um sistema mecânico de se adaptar à novas exigências depende de como ele foi projetado. No universo dos sistemas mecânicos existentes, podem se identificar 3 concepções: os passivos, os ativos e os mecatrônicos (ROSÁRIO, 2005). O sistema mecânico passivo tem como característica principal a não realimentação, ou seja, ele é projetado para realizar uma tarefa específica, definido por sua forma e seu material. Também há sistemas mecânicos passivos que preveem variabilidades, neste caso ele é composto por vários subsistemas, cada um para atender a um tipo de necessidade, um exemplo é uma furadeira que tem como sua função principal furar, porém, o usuário pode interferir no sistema alterando a profundidade e o diâmetro do furo (ROSÁRIO, 2005). Na Figura 2 é demonstrado um diagrama de um sistema mecânico passivo.
Figura 2 - Diagrama do sistema mecânico passivo
Em sistemas mecânicos passivos podem ocorrer algumas alterações, neste caso o projeto prevê a inclusão de ajustes, como foi citado anteriormente por exemplo a furadeira, mas a grande diferença dela para um sistema mecânico ativo é a inclusão do conceito de controle automático (realimentação mecânica). Este é o elemento de ajuste que realiza as devidas correções de parâmetros internos do sistema, afim de obter a saída desejada, cabe ressaltar que esse elemento atua sem a intervenção humana. Um exemplo deste tipo de sistema é a válvula reguladora de vazão de James Watt usada em trens, onde ela regulava a vazão de vapor para a locomotiva conforme sua velocidade, através de conceitos de força centrípeta (ROSÁRIO, 2005). O diagrama de um sistema mecânico ativo é apresentado na Figura 3.
Figura 3 - Diagrama do sistema mecânico ativo
Fonte: Própria autoria.
Os problemas relativos aos sistemas mecânicos passivos são resolvidos nos sistemas mecânicos ativos, os quais viabilizam a adaptação em tempo real às alterações das funções exigidas pelo sistema. Contudo, a maior dificuldade está no extremo trabalho para projetar e implementar a realimentação mecânica de sistema mecânicos ativos complexos. Com o surgimento de novos sensores, atuadores e o computador, isso representou o primeiro avanço significativo no que diz respeito a uma máquina que analisa, interpreta e executa tarefas até então exclusivas do usuário. Estas novas tecnologias foram implementadas nos sistemas mecânicos ativos, com isso surgem os sistemas mecatrônicos (ROSÁRIO, 2005).
O principal componente para o surgimento de sistemas mecatrônicos foram os transdutores que convertem sinal mecânico em elétrico (sensores) e sinal elétrico em mecânico (atuadores) e os dispositivos eletrônicos lógicos, por trazerem vantagens como aumentar a precisão, diminuir as falhas, facilitar a manipulação dos sinais, manipular os sinais a longa distância, entre outros (ROSÁRIO, 2005). Apresenta-se na Figura 4 o diagrama de funcionamento de um sistema mecatrônico que é composto principalmente por um sistema de controle, um ou mais atuador (es), um ou mais sensor (es) e o um ou mais mecanismo (s). O funcionamento deste sistema, inicia-se com uma programação no sistema de controle, onde é orientado que de acordo com a função desejada pode atuar de maneira diferente com os atuadores. Estes movimentam o mecanismo, e são monitorados pelos sensores que retornam um feedback para o sistema de controle para a verificação se a tarefa está sendo realizada como prevista, com isso, executa-se a função desejada.
Figura 4 - Diagrama do sistema mecatrônico
Fonte: Própria Autoria.
A seguir é detalhado os principais itens do sistema mecatrônico.
2.1.1 Sistema de controle
É o cérebro da máquina, onde ocorre o processamento dos sinais fornecidos pelos sensores, e são tomadas as decisões na atuação dos atuadores. É o elemento que o usuário entra em contato com o sistema, através da programação inicial ou o acompanhamento da realização de uma tarefa. Para executar o controle do sistema é necessário o elemento físico que é o Hardware. Existem diversos tipos, alguns são apresentados neste trabalho, o Controlador Lógico Programável (CLP), a Plataforma
Microprocessada e a dSPACE, cada um deles tem seu Software de programação, com sua linguagem específica padronizada pela norma IEC 61131-3.
2.1.1.1 Controlador Lógico Programável (CLP)
O Controlador Lógico Programável (CLP) tem como principal característica a confiabilidade, pois foi desenvolvido para a indústria com o objetivo de substituir os quadros e painéis elétricos, com todas as suas fiações e componentes por um único elemento. É composto por uma fonte de alimentação, uma unidade central de processamento (UCP), memórias do tipo físico e volátil, dispositivos de entrada e saída e terminal de programação, isto em um único elemento, podendo ser modular (MORAES et al., 2001). Na Figura 5 é apresentada a foto de um CLP Siemens da linha S7-1200.
Este CLP da Figura 5, utiliza para sua programação o Software SIMATIC STEP 7 Basic, da própria fabricante. A linguagem de programação utilizada por este
Software normalmente é a Ladder, onde trata-se de uma linguagem gráfica baseada
em símbolos e esquemas elétricos, tais como relés, contatos e bobinas, proporcionando um entendimento intuitivo das funções de intertravamento, sendo uma das linguagens padronizada pela norma IEC 61131 (ROSÁRIO, 2005). Estas características confiável, compacto e de fácil programação os tornou o mais utilizado para sistema mecatrônicos industrias, porém, trata-se de um equipamento de elevado custo.
Figura 5 - Foto do CLP Siemens, linha S7-1200
Fonte: Siemens, 2016.
Uma plataforma microprocessada, é um equipamento de controle cuja seu principal componente é um microprocessador. Existem vários fabricantes, porém, a placa que está sendo mais utilizadas por estudantes, professores, robistas, programadores, e profissionais de diversas áreas é a Plataforma Microprocessada Arduino. Esta é uma plataforma de prototipagem rápida de código aberto, é de baixo custo, de fácil aprendizagem e o usuário precisa ter apenas o conhecimentos básicos de programação e eletrônica. Com ela é possível ler entradas digitais e analógicas e acionar saídas digitais e analógicas. Na Figura 6 é apresentada a foto de uma plataforma microprocessada Arduino.
Para programar a plataforma microprocessada Arduino é necessário conectá-la ao computador através da porta USB. O software utilizado para a programação é o Arduino IDE, com linguagem de texto estruturado baseada em C++, seu uso é interessante na implementação de procedimentos complexos, otimização de processos e inteligência artificial. Tem limitações, as quais tornam sua utilização em projetos industriais de difícil aceitação, pois necessita de periféricos de conversão de sinais.
Figura 6 - Foto do Arduino Genuino UNO
Fonte: Arduino, 2016.
A dSPACE é uma placa de aquisição de dados, sua fácil intercambialidade, conexões elétricas rápidas, padrões universais de ligação com diversos sensores, compatibilidade com o Software Matlab, tornou-a muito utilizada em projetos de pesquisa (P&D), nas universidades (dSPACE, 2016). Na Figura 7 é apresentada uma foto da placa de entradas e saídas de sinais de um dispositivo dSPACE.
Figura 7 - Foto da placa de entradas e saídas dSPACE
Fonte: dSPACE, 2016.
O software ControlDesk, faz a comunicação do software Simulink/Matlab com a dSPACE, nele é feita a programação através da linguagem de Diagrama de Blocos de Função, que é uma linguagem gráfica que permite ao usuário construir procedimentos combinacionais complexos, muito usado no desenvolvimento de dispositivos automatizados. A desvantagem deste equipamento é ser frágil a vibrações e ter o custo elevado.
2.1.2 Acionamento
A função do acionamento é aplicar força ou torque necessário para movimentação adequada do mecanismo, através de um atuador (VALDIERO, 2012). Existem 3 tipos principais de acionamento que são sistema elétrico, sistema
pneumático e sistema hidráulico. A seleção da tecnologia para atuação depende de custo, condições ambientais, confiabilidade, etc. Porém, no ponto de vista técnico os fatores para seleção são força e velocidade (NEGRI, 2001). Na Figura 8 é apresentado um gráfico com os principais tipos de acionamento e seus campos de aplicação de acordo com força e velocidade requeridas na atuação.
Figura 8 - Campos de aplicação para escolha do tipo de atuador
Fonte: Hesse, 2000.
O gráfico da Figura 8 tem suas regiões compostas por sistema elétrico com motor elétrico com fuso (M), sistema elétrico com motor de passo (S), sistema pneumático (P) e sistema hidráulico (M).
2.1.2.1 Elétrico
O acionamento elétrico é realizado através de um motor elétrico, que pode ser de corrente contínua (motor de passo, servo motor, etc.) ou de corrente alternada (trifásico e monofásico). Atualmente o uso principal em sistemas mecatrônicos se dá em robôs industriais para pequenas e médias cargas, máquinas de usinagem, entre outros, com isso, é amplamente utilizado nas industrias pela facilidade de controle. Suas vantagens, são a baixa variância da velocidade, alta corrente de partida, eficiência
do processo, tempos de ciclo mais curtos (melhor resposta dinâmica) e menor manutenção. (GARCIA-VALDOVINOS e PARRA-VEGA, 2003). Na Figura 9a é apresentado a imagem de um motor trifásico e na Figura 9b de vários motores de passo.
Figura 9 - (a) Motor trifásico; (b) Motores de passo
Fonte: (a) WEG, 2016; (b) Pololu, 2016.
As desvantagens são o elevado custo e partidas/paradas lentas (causadas pelas rampas de aceleração e desaceleração do motor). Estes problemas foram corrigidos através de eletrônica própria e em especial pelo desenvolvimento dos Soft-Start e inversores de frequência (AMIRABADI et al.,2014).
2.1.2.2 Pneumático
O acionamento pneumático, se dá através de um sistema pneumático. Este é composto basicamente por uma fonte de ar comprimido, uma unidade de preparação de ar, válvulas diversas e cilindro pneumático, lembra-se que os diagramas de circuitos pneumáticos e hidráulicos são representado segundo normas internacionais ISO 1219-1 (ISO, 1991) e ISO 1219-2 (ISO, 1995). A fonte de ar comprimido pode ser um sistema complexo de ar comprimido em casos industriais mostrado na Figura 10 ou um simples compressor (NEGRI, 2001). O unidade de preparação de ar, tem como papel fazer os filtros de óleo (em caso de ferramentas o ar comprimido é lubrificado), água e resíduos sólidos, também fazer a regulagem de pressão de trabalho do sistema. Na Figura 11 está uma imagem de uma unidade de preparação de ar comprimido composta por filtro de líquidos, filtro de sólidos e regulador de pressão (NEGRI, 2001).
Figura 10 - Unidade de fonte de ar comprimido industrial
Fonte: Piches e Callear, 1996.
Figura 11 - Unidade de preparação de ar comprimido
Os 3 principais tipos de válvulas pneumáticas são as direcionais, as controladoras de fluxo e as controladoras de pressão. As válvulas direcionais, diferem além do tipo de acionamento, por número de vias, que é o número de conexões principais existentes nela e pelo número de posições, que é a quantidade de posições que o elemento móvel pode assumir, por exemplo, quando tem-se uma válvula de 5 vias, 3 posições, esta válvula tem 5 conexões e 3 posições para o elemento móvel. Quanto ao tipo de acionamento das válvulas direcionais podem ser servo comandadas, que além de direcionar o ar comprimido fazem o controle de vazão, acionadas por solenoide, que ao receber um sinal elétrico ela faz o direcionamento do ar comprimido, pneumáticas, normalmente usadas em circuitos lógicos onde o acionamento dela se dá por pressão pneumática e manuais que é operada manualmente para fazer o direcionamento de ar comprimido através de alavanca, botão, pedal, etc. As válvulas controladoras de fluxo, tem o papel de controlar a vazão de ar comprimido, podem ser elétricas que fazem o controle através de sinais elétricos e as manuais, onde é necessário operá-las manualmente. E as válvulas reguladoras de pressão, como o nome já diz regulam a pressão do ar comprimido, podem ser elétricas e manuais, com seu funcionamento similar às controladoras de fluxo (NEGRI, 2001). Na Figura 12a é apresentado uma foto de uma válvula direcional comandada por solenoide na Figura 12b uma servoválvula na Figura 12c uma válvula reguladora de fluxo manual e na Figura 12d uma válvula reguladora de pressão manual (NEGRI, 2001).
Figura 12 - (a) Válvula direcional comandada por solenoide; (b) Servoválvula; (c) Válvula reguladora de fluxo manual; (d) Válvula reguladora de pressão manual.
Fonte: Festo, 2016.
Os cilindros pneumáticos são os elementos que movimentam o mecanismos, sendo os mais comuns os cilindros pneumáticos com haste de simples ação, de dupla ação e os sem haste. O cilindro pneumático com haste de simples ação é acionado quando a força gerada pela pressão na câmera A (câmera no lado do êmbolo onde
não está a haste), é superior à força de sentido contrário, seu retorno é por mola, podendo ser mecânica ou pneumática. No cilindro pneumático com haste de dupla ação (Figura 13a) o acionamento se dá quando a força gerada pela pressão na câmera A (câmara no lado do êmbolo onde não está a haste), é superior à força gerada pela pressão na câmara B (câmara no lado do êmbolo onde está a haste), e o retorno acontece quando a força gerada pela pressão na câmara A é inferior à da câmara B. E no cilindro pneumático sem haste (Figura 13b) o acionamento acontece da mesma maneira do cilindro pneumático com haste de dupla ação, porém na câmara B não tem haste (NEGRI, 2001).
Figura 13 - (a) Cilindro pneumático com haste de dupla ação; (b) Cilindro pneumático sem haste
Fonte: Festo, 2016.
Estes sistemas pneumáticos são aplicados em linhas de produções de alta performace pela sua velocidade de acionamento, agilizando processos produtivos. As vantagens do acionamento pneumático é o uso de ar como fluido de trabalho não poluente, em abundância e sem custo, a energia é fácil de armazenar e transportar, pode-se trabalhar com velocidades elevadas, boa relação potência peso, fácil variação das forças e velocidades de atuação e utilizado em ambientes explosivos, porém tem algumas desvantagens que são o fluido de trabalho é compressível (dificulta o controle), tem-se limitações de força (motivo é o fluido de trabalho), é necessário 3 watts de energia elétrica pra produzir 1 watt de energia pneumática e alto teor de ruído (BOLLMANN, 1997).
2.1.2.3 Hidráulico
O acionamento hidráulico tem em seu funcionamento elementos que o compõem, similares aos apresentados no acionamento pneumático, as principais
diferenças são o fluido de trabalho, que para hidráulicos é usado o óleo, a necessidade de um retorno para o reservatório, pois no sistema pneumáticos o ar era expulso no ambiente e os equipamentos hidráulicos são mais robustos pelo fato de trabalharem com altas pressões, ou seja, o conceito para o acionamento do cilindro é igual, isto é evidenciado na Figura 14 onde tem-se a composição básica de um sistema hidráulico com representações segundo ISO 1219-1 (ISO, 1991) e ISO 1219-2 (ISO, 1995) (VALDIERO, 2012).
Figura 14 - Composição básica de um sistema hidráulico
Fonte: Bosch, 1989.
Este acionamento é aplicado quando há necessidade de trabalhar com grandes forças. As principais vantagens de trabalhar com um acionamento hidráulico são a compacidade (o óleo é praticamente incompressível), pequena inércia e rápida resposta, grande confiabilidade e durabilidade, possibilidade de faixas de ajuste de
velocidade muito pequenas. Suas desvantagens são custo dos equipamentos elevados comparado com os antecessores, o uso de óleo deixa o sistema com uma difícil manutenção, o óleo é poluente consequentemente seu descarte é caro e deve ter equipamentos de proteção contra altas pressões pois o risco de acidentes é considerável (VALDIERO, 2012).
2.1.3 Mecanismo
O mecanismo é a parte mecânica do sistema mecatrônico, composto por elos e juntas, sua função é converter grandezas de velocidades, forças, aceleração (dinâmica) e converter sentido de movimentos (cinemática). A gama de mecanismo é imensa, porém serão apresentados o mecanismo de quatro barras, a biela-manivela e as engrenagens.
O quatro barras é o mecanismo mais simples que existe. Teoricamente é possível construir mecanismos complexos através da combinação dessas unidades elementares, fazendo mecanismos de seis ou mais barras. A Figura 15 mostra diferentes configurações deste mecanismo que tem suas propriedades dinâmicas e cinemáticas modificadas tendo relação com o tamanho de seus elementos (MABIE E OCVRK, 1967).
Figura 15 - Diagrama de mecanismos quatro barras
O mecanismo biela manivela (Figura 16) é largamente utilizado em motores de combustão interna, ele pode transformar movimentos rotativos em lineares e lineares em rotativos no caso deste, é necessário um volante para que os pontos mortos no pistão não prejudiquem o movimento (MABIE E OCVRK, 1967).
As engrenagens são elementos mecânicos compostos de rodas dentadas que se ligam a eixos, aos quais imprimem rotação e torque, transmitindo assim potência, a uma gama grande de tipos de engrenagens por exemplo, engrenagem de dentes retos (Figura 17a), engrenagens cônicas (Figura 17b), engrenagens de dentes helicoidais e eixo paralelo (Figura 17c), engrenagem espinha de peixe (Figura 17d), sem fim (Figura 17e) e engrenagens helicoidais com eixos transversos (Figura 17f). Sua utilização é ainda primordial em máquinas e equipamentos, principalmente para que o acionamento trabalhe em uma faixa que seu rendimento é máximo. O uso destas em motores elétricos se faz necessário na grande maioria das aplicações tornando um elemento que fornece maior torque em pequenas rotações, contribuindo para este tipo de acionamento (MABIE E OCVRK, 1967).
Figura 16 - Mecanismos biela manivela
Figura 17 - (a) Engrenagem de dentes retos; (b) Engrenagens cônicas; (c) Engrenagens de dentes helicoidais e eixo paralelo; (d) Engrenagem espinha de peixe; (e) Sem fim; (f) Engrenagens
helicoidais com eixos transversos
Fonte: Mabie e Ocvrk, 1967.
2.1.4 Sensores
Um sensor pode ser definido como um transdutor que altera sua característica interna, sobre a ação de uma característica externa. Eles tem diversos campos de aplicação, como na automação industrial e na automação residencial. O sensor de operação indireta alterna suas propriedades, como resistência, indutância ou capacitância, sob a ação de uma grandeza, de forma proporcional. Há sensores analógicoS que assumem determinado valor compreendido dentro de uma escala. Os sensores digitais que podem assumir um número finito de valores em determinada escala e os binários que é um sinal digital que pode assumir somente dois valores, 1 ou 0 (ROSÁRIO, 2005).
Para compreender e realizar medições com segurança em sensores é preciso estar atento a suas características, que são a linearidade (graus de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física), a faixa de atuação (são os valores da
grandeza que podem ser utilizados pelos sensores), a acurácia (a razão entre o valor real e o valor medido pelo sensor), a resolução (a grandeza relacionada ao grau de precisão de leitura do sensor), a repetibilidade (variação dos valores lidos de uma mesma grandeza física) e o range (limites superior e inferior da variável a ser lida pelo sensor) (ROSÁRIO, 2005).
Atualmente há uma gama variada de tipos de sensores, por exemplo os de proximidade, os de posição e velocidade e os analógicos de temperatura (ROSÁRIO, 2005).
2.1.4.1 Sensores de proximidade
Os sensores de proximidade são largamente utilizados nos processos automatizados para detectar a presença ou ausência de objetos, neste tipo os mais empregados em aplicações de automação, são chaves mecânicas de fim de curso, capacitivos, indutivos, ópticos, magnéticos e ultrassônicos (ROSÁRIO, 2005).
As chaves mecânicas de fim de curso, são empregadas para sinalizar o fim de um movimento. Seu funcionamento se dá com o contato físico de um objeto acionando contatos elétricos, normalmente aberto ou normalmente fechado. Existem uma grande variedades de disposições construtivas, na Figura 18a tem-se a foto de uma chave mecânica fim de curso (ROSÁRIO, 2005). Os sensores de proximidade capacitivos, tem seu princípio de funcionamento semelhante a um capacitor, ao aproximar um objeto cuja a constante dielétrica é maior que 1, sua capacitância aumenta e o sistema de controle detecta, convertendo o status para acionado. Os sensores capacitivos podem detectar quaisquer materiais com constante dielétrica maior que 1, sem que haja um contato físico. Na Figura 18b está a foto de um sensor capacitivo (ROSÁRIO, 2005).
Os sensores de proximidade indutivos, tem seu princípio de funcionamento semelhante a um indutor. O sensor é formado por um indutor de núcleo aberto, que quando alimentado gera um campo magnético, ao se aproximar um objeto metálico este campo magnético aumenta sem que haja contato e o sistema de controle detecta. Os sensores indutivos detectam apenas objetos metálicos, e na Figura 18c pode-se visualizar um sensor indutivo (ROSÁRIO, 2005).
Figura 18 - (a) Chave mecânica fim de curso; (b) Sensor capacitivo; (c) Sensor indutivo; (d) Sensor óptico; (e) Sensor magnético; (f) Sensor ultrassónico
Fonte: (a) Metaltex, 2016; (b)(c)(d) Balluff, 2016; (e) Festo, 2016; (f) Própria autoria.
Todos os sensores óticos são formados pelo um emissor de luz e um receptor de luz, esta luz pode ser infravermelha ou visível. Existem diversas disposições construtivas, porém seu funcionamento básico se dá pela interrupção dos raios de luz antes de chegar ao receptor ou pela reflexão dos raios de luz, onde eles são refletidos pelo objetos para o receptor. Os sensores ópticos podem detectar qualquer tipo de material com exceção para os não reflexíssimo com materiais escuros e transparentes. Na Figura 18d é apresentado uma foto de um sensor óptico (ROSÁRIO, 2005).
Os sensores magnéticos são compostos por um contato feito de um material metálico, que é acionado na presença de um campo magnético. O princípio de funcionamento destes é simples, isso ocorre quando um imã se aproxima do sensor e o campo magnético atrai as chapas metálicas, fechando um contato elétrico. Este sensor não a necessidade de contato físico. Na Figura 18e é demonstrado a foto de um sensor magnético (ROSÁRIO, 2005).
Os sensores ultrassônicos tem o mesmo princípio de funcionamento de um sonar, onde emite ondas sonoras a uma frequência que é inaudível ao ser humano, ela viaja sobre o meio e ao detectar um material retorna, o controlador conta o tempo da viagem da onda sonora e calcula a distância do material. Podem detectar quaisquer
tipos de material com exceção aos que absorvem o som. Na Figura 18f é apresentado a foto de um sensor ultrassônico (ROSÁRIO, 2005).
2.1.4.2 Sensores de posição e velocidade
Medidas de posição e velocidade são frequentemente requeridas em sistemas de controle realimentados. Os mais utilizados são os potenciômetros, sensor de deslocamento linear e encoderes (ROSÁRIO, 2005).
Os potenciômetros (Figura 19a) podem ser para aplicações rotativas ou lineares, o princípio de funcionamento é o mesmo, que é um divisor de tensão, onde tem-se a alimentação e a tensão de saída que varia, com isso, de acordo com a tensão de saída é determinado a posição. As principais características dos potenciômetros é que fornecem um sinal analógico mostrando a posição absoluta, são de baixo custo e não podem serem instalados em ambientes úmidos e com poeira (ROSÁRIO, 2005).
Os sensores de deslocamento linear (Figura 19b), como o nome já diz medem deslocamentos lineares. Consistem em um núcleo magnético que percorre o interior de um cilindro, e tem como princípio de funcionamento um campo magnético, funcionando com a variação deste campo conforme a sua posição. Nele é feita um alimentação, e o campo magnético varia um sinal analógico em sua saída para leitura do controlador (ROSÁRIO, 2005).
Figura 19 - (a) Potenciômetro; (b) Sensor de posição linear; (c) Encoder
Os encoders (Figura 19c) são sensores que medem deslocamentos rotacionais, ao contrário dos citados ele é digital, sua composição básica é de um disco perfurado, e um emissor e receptor de luz. O princípio de funcionamento destes sensores, segue a montagem do disco perfurado, entre o emissor e receptor de luz, que quando o disco gira se alterna a perfuração gerando pulsos de luz e escuridão. O controlador sabe que em uma volta há determinados pulsos, desta maneira ele fica monitorando os pulsos e mostra a posição de giro (ROSÁRIO, 2005).
2.1.4.3 Sensores analógicos de temperatura
Também conhecidos como termopares (Figura 20), os sensores de temperatura, funcionam através de um efeito termoelétrico. Este fenômeno se dá quando estão dois condutores metálicos diferentes unidos, e uma da junções metálicas estiver com temperatura inferior a outra, com isso, circulará corrente elétrica, a junção fria é a de referência e a quente a de medição. Esta corrente conhecida como corrente termoelétrica, gera uma tensão baixíssima, e um circuito intermediário aumenta esta tensão e direciona para o controlador. O controlador monitora esta tensão e mensura a temperatura (ROSÁRIO, 2005).
Figura 20 - Termopar
2.2 Estado da arte
Em Godinho et al., 2015, foi realizado medições de temperatura com o uso do sensor LM35 em aviários. O objetivo deste foi verificar se as temperaturas internas no aviário estavam de acordo com as recomendáveis, para ler estes dados foi utilizado um Arduino UNO, com uma programação simples. Em Ferreira et al., 2015, foi desenvolvido um sistema de automação de baixo custo, bem simples, com o objetivo de fazer o controle de temperatura em aviários. Foi utilizado para fazer o controle uma plataforma microprocessada Arduino UNO, e para atuar sobre o sistema foi implementado lâmpadas de diferentes potências, e os sensores LM35 mensuravam apenas temperatura. Nestes dois casos há o uso do mesmo controlador e sensores, com o objetivo de automatizar um aviário, a diferença está em que o segundo já atuava sobre o sistema.
Figura 21 - (a) Tela inicial do supervisório; (b) Bancada didática
Fonte: Santos et al., 2014.
Em Santos et al., 2014, foi desenvolvido e construído um sistema de controle de nível, em um bancada didática (Figura 21b), com o objetivo de auxiliar o aprendizado do aluno no desenvolvimento acadêmico. O projeto conta com um Controlador Proporcional Integrativo (PI), onde foi programado no software Matlab, através da linguagem de diagrama de blocos, tendo como unidade de processamento de dados um Arduino UNO. Neste mesmo software foi implementado um supervisório (Figura 21a) que comunicava com o Arduino via serial, onde o usuário tinha espaços para colocar o ganho dos controladores e visualizava gráficos de informações
relevantes para a aplicação. Para atuar sobre o sistema foi utilizada uma bomba d’água de corrente contínua, e para mensurar o nível de água foi utilizado um sensor ultrassônico.
Em Treter et al., 2014, foi desenvolvido um sistema de automação residencial de baixo custo baseado em ferramentas de software de código-livre. O sistema é subdividido em subsistemas que são iluminação, aquecimento solar, controle de acesso, central de alarme, ar condicionado e câmeras de segurança. Seu funcionamento se dá atraves de um supervisório que comunica com placas Arduino, via web, que atua e recebe dados do sistema, como mostra a Figura 22.
Figura 22 - Fluxo de funcionamento do sistema de automação
Fonte: Treter et al., 2014.
Neste sistema pode-se realizar controle de ambientes via qualquer computador que esteja conectado à rede mundial de computadores (internet), o que o difere de sistemas já implementados no mercado é os componentes utilizados, que são de baixo custo e exercem as mesmas funções que os utilizadas em automação residencial atualmente. Este sistema de automação residencial não foi implementado em campo, apenas em uma plataforma de testes que está apresentada na Figura 23.
Figura 23 - Plataforma experimental para a realização de testes
Fonte: Treter et al., 2014.
Em Mesas-Carrascosa et al., 2015, foi desenvolvida uma plataforma de testes, para avaliar hardwares abertos para a utilização na agricultura de precisão, foram avaliados nestes experimentos os sensores de temperatura LM35 e DS18B20, e os sensores de umidade relativa do ar como, o DTH22 e o Keyes. Para os testes, foram utilizados dados de uma estação meteorológica calibrada de acordo com as normas vigentes, em paralelo com cada um destes sensores, obtendo gráficos de comparação.
Figura 24 - Concepção do sistema
Foi utilizado como concepção do sistema de leitura de dados para realização dos teste o que está na Figura 24, pode-se observar o uso de uma interface homem máquina (IHM) sendo um smartphone com sistema operacional Android. Os testes foram realizados em Cordoba na Espanha e obtiveram como resultados, que os sensores de hardware aberto obteram uma pequena acurácia, demonstrando que com pequenos investimentos pode-se obter ótimos resultados na agricultura de precisão.
Estes trabalhos apresentados mostram que as pesquisas em torno de
hardwares abertos para a concepção de sistemas mecatrônicos, tem relevância para
o avanço tecnológico da automação industrial e residencial, principalmente pelo fácil acesso dos mesmos.
3
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS MECATRÔNICOS DE
BAIXO CUSTO
Neste capítulo será apresentado o desenvolvimento dos projetos dos sistemas mecatrônicos propostos. Isto será descrito em dois Cases, no Case 1 é desenvolvida automação de uma célula de manufatura acionada pneumaticamente, com funções de alimentar, fixar para realização de uma tarefa genérica e expulsar uma peça. No Case 2 é desenvolvida automação de uma mini casa, cuja as funções são, fazer leituras de temperatura e umidade relativa do ar interno e externo, apresentar as leituras em uma Interface Homem Máquina (IHM) e acionar abertura e fechamento das janelas e a iluminação da casa através da IHM.
3.1 Case 1 – Automação de uma célula de manufatura acionada pneumaticamente
Este case trata da automatização de um sistema mecatrônico de aplicação industrial, uma célula de manufatura acionada pneumaticamente. Os sistemas pneumáticos são equipamentos difundidos nas indústrias, por ser essencial em um processo produtivo. Praticamente em todas as fábricas há uma linha de ar comprimido devido ao fato de que muitos equipamentos que são de acionamento elétrico exigirem através de seus subsistemas o acionamento pneumático, por exemplo uma máquina de usinagem CNC, que tem a troca de ferramenta executada por um sistema pneumático.
A pneumática é implantada nas indústrias principalmente em movimentação de peças, isto deve-se principalmente por sua rapidez, além de partidas e paradas em curto espaço de tempo. Outro fator que exige que a indústria implemente sistemas automatizados acionados pneumaticamente é o rigor exigido em normas de segurança para máquinas e equipamento, fazendo com que a alimentação e retirada de peças em máquinas pesadas não seja realizada pelo operador, e sim por sistemas mecatrônicos. Um exemplo são as calandras que tem sua adaptação a NR12 sugestiva á duvidas no comprimento da norma.
Neste contexto foi desenvolvido uma célula de manufatura acionada pneumaticamente, com o objetivo de alimentar um processo produtivo, fixar a matéria prima para a realização de uma operação de manufatura e expulsar a peça ao fim da operação, isto em um processo totalmente automatizado.
3.1.1 Descrição do sistema mecânico
O sistema mecânico da célula de manufatura acionada pneumaticamente tem a sua disposição construtiva ilustrada na Figura 25, em uma vista isométrica.
Figura 25 - Desenho tridimensional da célula de manufatura controlada pneumaticamente
Fonte: Própria autoria.
Os cilindros pneumáticos A, B (Figura 26a) e C (Figura 26b) são da marca Norgrem Herion, com suas respectivas principais informações técnicas dispostas na Tabela 1, e seu catálogo no Anexo A.
Tabela 1 - Especificações técnicas dos cilindros pneumáticos
Nomenclatura Modelo Diâ. Haste (mm) Diâ. Êmbolo (mm) Pressões min-max (Bar)
Cil. Pne. A RA/8040/M/250/C 16 40 1-16
Cil. Pne. B RA/8040/M/250/C 16 40 1-16
Cil. Pne. C RA/8032/M/100/C 12 32 1-16
Estes cilindros pneumáticos são equipados com o êmbolo magnético e dois sensores magnéticos de fim de curso (Figura 26c), um sensor indicando cilindro avançado (“LETRA DO CILINDRO” +) e o outro cilindro recuado (“LETRA DO CILINDRO” -). O modelo destes sensores é o QM/32/2 e a marca é Norgrem Herion. O acionamento dos cilindros pneumáticos é realizado através de válvulas direcionais (Figura 26d) da marca Parker, cuja suas especificações técnicas estão dispostas na Tabela 2 e seu catalogo no Anexo B.
Tabela 2 - Especificações técnicas das válvulas pneumáticas
Modelo Vias Posições Acionamento Tensão
Aci. (Vcc) Retorno Pressão Min-Max (Bar) 5103-5150STF 5 2 Solenoide 24 Mola 3,5-10
Fonte: Própria autoria.
Figura 26 - (a) Cilindro pneumático A e B; (b) Cilindro pneumático C; (c) Sensor magnético para cilindro pneumático; (d) Válvula direcional 5/2 acionada por solenoide; (e) Válvula de controle de
fluxo; (f) Sensor ótico de proximidade
Com o objetivo de suavizar o movimento dos cilindros pneumáticos foram implementadas válvulas de controle de fluxo (Figura 26e), com isso, é possível controlar a vazão do ar comprimido e adequar a velocidade de acionamento em cada cilindro pneumático. Na Figura 27 está exposto o diagrama do circuito pneumático construído para que ocorra o acionamento dos cilindros via solenoide, esse está de acordo com as normas ISO 1219-1 (ISO, 1991) e ISO 1219-2 (ISO, 1995).
Figura 27 - Circuito pneumático do sistema
Fonte: Própria autoria.
Complementando o sistema mecânico da célula de manufatura acionada pneumaticamente, tem-se um botão com retorno por mola nomenclaturado start e um sensor óptico infravermelho de proximidade no magazine para a verificação de peça no mesmo (Figura 26 (f)), com ajuste de distância da marca Sick (data sheet em Anexo C), com suas especificações expostas na Tabela 3, cuja sua função é verificar a existência de peças no magazine.
Tabela 3 - Especificações técnicas do sensor de proximidade infravermelho
Modelo N° Vias Tipo
Tensão Min-Max (Vcc) Corrente Max. (mA) Distância Min-Max (mm) VT180-N142 3 NPN 10-30 100 0-400
Fonte: Própria autoria.
3.1.2 Análise das necessidades
Neste item é descrito o desejo de funcionamento da célula de manufatura acionada pneumaticamente através de uma formulação verbal do problema de automação que foi auxiliada de ilustração em cada passo. O processo deve-se iniciar com o acionamento manual de um botão denominado “start”, e a verificação do sensor infravermelho de presença de peça no magazine. Caso exista peça no magazine o cilindro pneumático A avança (Figura 28a), retirando a peça dele e inserindo-a no processo.
Com o acionamento do sensor magnético de posição de haste avançada do cilindro pneumático A, o cilindro pneumático B avança (Figura 28b), fixando a peça para a realização da operação podendo ser furação, fresamento, etc. Ao chegar no sensor magnético de posição de haste avançada no cilindro pneumático B, inicia-se uma contagem de tempo de operação.
Figura 28 - (a) Cilindro pneumático A avança; (b) Cilindro pneumático B avança
Fonte: Própria autoria.
Ao final do tempo da operação os cilindros pneumáticos A e B retornam (Figura 29a), acionando o sensor magnético de posição de haste recuada dos
mesmos. Com o acionando do sensor magnético de posição de haste recuada dos cilindros pneumáticos A e B, a peça é retirada pelo acionamento do cilindro pneumático C, com o retorno do dele (Figura 29b).
Figura 29 - (a) Cilindro pneumático A e B recuam; (b) Cilindro pneumático C recua
Fonte: Própria autoria.
O processo encerra-se quando o cilindro pneumático C avança (Figura 30), e retorna à posição inicial. Este é o funcionamento requerido para a célula de manufatura acionada pneumaticamente.
Figura 30 - Cilindro pneumático C avança
Fonte: Própria autoria.
3.1.3 Projeto do circuito eletrônico de controle
O “cérebro” da célula de manufatura acionada pneumaticamente, é seu controlador. Nesta aplicação com o objetivo de baratear o projeto do sistema será utilizado uma plataforma microprocessada Arduino, na versão UNO. Esta versão é a mais simples da família Arduino, sendo assim, a mais barata. Na Tabela 4 estão
expressas as especificações técnicas com maior relevância a este projeto do Arduino UNO.
Tabela 4 - Especificações técnicas do Arduino UNO
Descrição Valor
Microcontrolador ATmega328
Tensão de operação 5v
Tensão de alimentação (recomendado) 7-12v Tensão de alimentação (limite) 6-20v
Número de portas digitais I/O 14
Número de portas PWM 6
Número de entradas analógicas 6
Número de portas serial 1
Corrente máxima nas portas 40mA
Memória flash 32Kb
SRAM 2Kb
EEPROM 1Kb
Velocidade de clock 16Mhz
Fonte: Própria autoria.
Estas especificações técnicas foram estudadas com cuidado, porque, o Arduino UNO comunicará com outros dispositivos do sistema que foram fabricados para serem conectados a Controladores Lógicos Programáveis (CLP’s), trabalhando com tensões e correntes mais elevadas que as permissíveis pelo mesmo.
Na Figura 31 é apresentado a foto de um Arduino UNO e a localização das principais portas de comunicação com os dispositivos externos.
Figura 31 - Principais portas de comunicação do Arduino UNO
Tendo vista que serão conectados ao Arduino UNO como dispositivos de entrada 6 sensores magnéticos de fim de curso, 1 sensor de proximidade do
magazine, 1 botão, dispositivos de saída e 3 solenoides, pode-se afirmar que serão
ocupadas 8 portas de entradas digitais e 3 portas de saídas digitais.
Os sensores magnéticos e o botão funcionam de maneira similar, onde ocorre o fechamento de um contato eletromecânico aberto, e quando o sensor for acionado o contato fecha. Possui um cabo de 2 vias, uma para cada terminal do contato eletromecânico. Para conectar um contato eletromecânico ao Arduino UNO é necessário um resistor de pull-up para fazer com que a corrente não ultrapasse o máximo permitido pelas portas de entradas digitais. Na Figura 32 apresenta-se o circuito elétrico utilizado para conectar contatos eletromecânicos ao Arduino UNO.
Figura 32 - Circuito eletrônico para conectar um sensor de contato eletromecânico e o Arduino UNO
Fonte: Própria autoria.
Onde:
R1 = Resistor 10kΩ; R2 = Resistor 220Ω;
L1 = Diodo Emissor de Luz (LED).
Com o uso deste circuito da Figura 32, pode-se conectar qualquer tipo de sensor que use o princípio de acionamento de um contato eletromecânico ao Arduino UNO, para isso, deve-se conectar os terminais CE1 e CE2 aos terminais do contato eletromecânico do sensor, o terminal ED na entrada digital do Arduino UNO, os terminais +5Vcc e -0Vcc em uma alimentação de 5Vcc, obedecendo estas conexões, ao acionar o sensor emitira um sinal a entrada digital do Arduino UNO.
O sensor de proximidade do magazine é composto por um emissor e um receptor infravermelho, que ao aproximar-se um objeto reflexível o receptor recebe a luz emitida pelo emissor, assim, fecha um contato eletromecânico aberto interno. Este contato conecta a via de sinal com a via do negativo na alimentação do sensor, com isso, o sensor emite um sinal de tensão de 24Vcc. É importante frisar que este sensor
possui um cabo com 3 vias, duas para a alimentação e a terceira para o sinal. Para que o Arduino UNO possa fazer a leitura deste sensor, foi necessário o uso de uma placa eletrônica de interface, que converte o sinal de tensão emitido pelo sensor com fechamento de um contato eletromecânico, assim, pode-se conectá-lo ao Arduino UNO da mesma maneira que é conectado um simples botão. Na Figura 33 apresenta-se o circuito utilizado para a concepção desta placa eletrônica.
Figura 33 - Circuito eletrônico de interface entre sensor de proximidade e o Arduino UNO
Fonte: Própria autoria.
Onde:
R1 - Resistor 10kΩ; R2 - Resistor 1kΩ;
Q1 - Transistor NPN BC338; L1 - Diodo Emissor de Luz (LED); D1 - Diodo 1N4007;
RL1 - Relé 24Vcc.
Existem duas limitações para o acionamento das solenoides das válvulas pneumáticas com o Arduino UNO, uma a tensão de trabalho da solenoide que é 24Vcc diferente da tensão de trabalho do Arduino UNO e a outra é a corrente necessária para seu acionamento, que ultrapassa a permissível nas saídas digitais. Para resolver este problema foi aplicado um circuito eletrônico de interface, para proteger as portas de saídas digitais. O circuito eletrônico desta placa está na Figura 34.
