Brao mecnico para manipulao de PCI voltado aplicaes de baixo custo

Bernardo Farias Asmus Graduando em Mecatrnica Industrial

Curso Superior de Tecnologia em Mecatrnica Industrial Instituto Federal de Santa Catarina ber_asmus@hotmail.com

Gregory Chagas da Costa Gomes

Graduando em Mecatrnica Industrial Curso Superior de Tecnologia em Mecatrnica Industrial Instituto Federal de Santa Catarina

gregory.ifsc@gmail.com

Marcelo Grigollo Bagnatti Graduando em Mecatrnica Industrial

Curso Superior de Tecnologia em Mecatrnica Industrial Instituto Federal de Santa Catarina marcel0_@hotmail.com

Milena Won Dias Victorette

Graduando em Mecatrnica Industrial Curso Superior de Tecnologia em Mecatrnica Industrial Instituto Federal de Santa Catarina

milenawdv@gmail.com

Vtor Farias de Borba

Graduando em Mecatrnica Industrial Curso Superior de Tecnologia em Mecatrnica Industrial Instituto Federal de Santa Catarina

vitorfariasdeborba@hotmail.com

Resumo: Visando a agilidade e segurana do processo de manipulao de placas de circuito impresso, viu-se a possibilidade de utilizao de um brao mecnico de baixo custo para atender a esta demanda. Peso, rea de trabalho e facilidade de operao foram prioridades no desenvolvimento deste projeto. Utilizando materiais e ferramentas de software j disponveis em ampla escala no mercado, foi fabricado um prottipo com cinco graus de liberdade na configurao TRR:RT seguindo a metodologia proposta por bibliografia especializada. Embora no tenha sido concludo o prottipo, clculos e simulaes comprovam a viabilidade do projeto.

Palavras-chave: brao mecnico, PCI, robtica

Abstract: Aiming the security and agility of the printed circuit board manipulation process, saw the possibility of using a low cost mechanical arm to attend this demand. Weight, work area and easy operation were priorities in the projects development. Using materials and software already available in large scale in the labor market, was manufactured a prototype with five liberty degrees in the TRR:RT configuration following the proposed methodology by specialized bibliography. Although the prototype wasnt finished, the projects feasibility was proven by calculus and simulations. Key-words: mechanical arm, printed circuit board, robotics

Introduo

Com o constante crescimento populacional e reduo da vida til dos materiais,

hoje em dia faz-se necessrio uma produo de bens de consumo extremamente gil

e independente de adversidades temporais.

Para garantir que os produtos cheguem ao maior nmero possvel de clientes

nos mais diversos locais, a produo elevada junto a um sistema gil, eficiente e

confivel indispensvel. Para garantir que estas metas sejam atendidas, a utilizao

de braos robticos e demais produtos mecatrnicos necessria. Atribuindo custo e

no valor ao produto, o brao robtico vem para suprir estas necessidades podendo

ser construdo para tarefas especficas, ele traz todas as especificaes que a

produo em massa exige, trazendo assim um lucro significativo a mdio e longo

prazo.

Atualmente, a maior parte dos robs, desenvolve atividades de soldagem,

manipulao de peas e pintura. Eles realizam tarefas perigosas, repetitivas, que

requerem muita ateno e preciso ou que so entediantes para os seres humanos.

Na linha de montagem, os robs so mais precisos e podem executar tarefas de

maneira muito mais eficaz que o homem. [4]

A Figura 1 apresenta um grfico das atividades realizadas por robs no mundo:

Figura 1 Principais atividades da robtica

Tendo como base pesquisas de mercado, tanto no sentido de produtos j

existentes quanto na abrangncia da rea de atuao dos braos robticos, pesquisas

envolvendo a teoria da robtica e conversas com professores ligados ao assunto,

elaboraram-se os seguintes objetivos para dar rumo a este projeto:

11%

7%

21%

30%

27%

4%

Pintura

Montagem

Solda arco

Solda ponto

Manipulao

Outros

1.1 Objetivo geral

Desenvolver o prottipo de um brao mecnico com a capacidade de

desenvolver com preciso, agilidade e segurana a tarefa de manipular placas de

circuito impresso.

1.2 Objetivos especficos

a) Desenvolver pesquisas sobre braos robticos;

b) Adquirir conhecimentos na rea de Sistemas Digitais;

c) Adquirir conhecimentos na rea de Sistemas Mecnicos;

d) Adquirir conhecimentos na rea de CAD;

e) Utilizar as ferramentas de Metodologia de Projeto para a realizao deste;

f) Efetuar simulaes mecnicas e digitais para um brao robtico;

g) Construo do prottipo;

h) Anlise dos resultados obtidos.

2. Metodologia

Para o melhor desenvolvimento do projeto deste prottipo no sentido da

qualidade, agilidade e confiabilidade, foi utilizada como base a metodologia de projetos

exibida e detalhada no livro Projeto Integrado de Produtos [2], seguindo-se as etapas

de Projeto Informacional, Projeto Conceitual, Projeto Preliminar e Projeto Detalhado.

As duas principais concepes para o prottipo do brao que foram

desenvolvidas nas etapas de projeto Conceitual e Preliminar esto ilustradas abaixo

nas figuras 2(a) e 2(b).

Figura 2(a) Concepo 1 Figura 2(b) Concepo 2

3. O prottipo

A soluo que melhor atende aos requisitos de cliente a elaborao de um

rob articulado ou revoluto com 4 elos, 3 juntas rotativas, e 2 juntas torcionais sendo

de punho com dupla articulao (rolamento e arfagem), sendo assim a configurao

final do rob TRR:RT, configurao que confere a ele 5 graus de liberdade.

Possui acionamento indireto e transmisso por polias e correias dentadas, exceto

nas juntas torcionais onde ser utilizado acionamento direto [5], o controle ser de

malha aberta utilizando passos controlados por um micro controlador de arquitetura

8051 e sensores fim de curso para determinao do arco de trabalho de cada elo.

3.1 Projeto mecnico

3.1.1 Dimensionamento dos motores

Para a movimentao do brao so utilizados motores de passo NEMA 23 e

NEMA 34 com flange, exceto para os movimentos da garra onde so utilizados

motores de passo de pequeno porte. Abaixo segue o esquema de torque que gerara

embasamento para definio dos motores:

Onde,

E1(distncia eixo 1) = 0mm

m1 (peso motor 1) = 29,4N

B1 (distncia da barra 1) = 200mm

E2 (distncia eixo 2) = 400mm

m2 (peso motor 2) = 19,6N

B2 (distncia barra 2) = 550mm

E3 (distncia eixo 3) = 700mm

G (torque na garra) = 1176Nm

3.1.2 Dimensionamento dos eixos

Para o clculo do dimetro do primeiro eixo foi utilizado o mtodo de sobreposio

de foras, alm de um estudo de dinmica aplicada sobre o mesmo nos momentos de

acelerao positiva e negativa do brao.

y

x

Figura 3 Eixo2

3.1.3 Sistema de Transmisso por polias e correias

Para dimensionar as polias e correias utilizou-se um software disponvel no site

www.brecoflex.com, onde com as informaes obtidas sobre torque em cada motor e

distncia entre elos pode-se calcular, via este software, a largura necessria para as

correias e tambm ver os comprimentos catalogados de cada modelo de correia.

No projeto, sero usadas correias sincronizadoras modelo HTD5MM, que

possuem comprimentos maiores e so prprias para equipamentos com mdio porte

onde o torque considerado alto. Os dimetros e larguras das correias vo depender

da transmisso em que sero submetidas, mas todas tero passo de 5mm. Na Figura

4, a seguir, podemos ver o software.

Figura 4 BrecoFLEX software

3.1.4 Acoplamentos

Para a ligao do redutor do NEMA-34 localizado na base do rob com a placa

giratria, foi necessria a usinagem de um acoplamento para este caso. Feito de ferro

fundido, o acoplamento ligado ao redutor por uma chaveta e ligado placa giratria

por 4 parafusos M5 de classe mnima 5.8.

3.1.5 Chavetas

Os elementos utilizados para transmitir potncia entre eixo e cubo foram as

chavetas, pois alm de serem de fcil usinabilidade, tambm so pensadas para

funcionar como fusveis, ou seja, foram projetadas para que caso haja uma

interferncia no sistema, ela rompa e previna os elementos mais precisos.

Foram escolhidas chavetas de rea quadrada e do mesmo material dos eixos

(Ao ABNT 1020).

3.1.6 Flanges

A necessidade de um cubo de ligao entre eixo e perfil de alumnio era clara e

conhecida. Um elemento simples e que garantisse este acoplamento com a preciso

necessria, o flange, foi usado em todos os eixos para garantir a fixao entre eixo e

perfil de alumnio.

O material mais acessvel e disponvel para a equipe usinar este componente foi o

alumnio. Para os clculos de dimensionamento deste acoplamento usou-se como

material aquele que estava disponvel.

Para transmisso da potncia do eixo para o flange, pensou-se no uso combinado

de chaveta e um parafuso de aperto de chaveta, para dar mais fora no contato entre

chaveta, cubo e eixo.

Para o dimensionamento, como dados de entrada se tem a rea de contato da

chaveta com o cubo e a fora mxima que gera momento na chaveta e como sada, a

tenso de escoamento mnima necessria.

Aps a verificao dos clculos, identificou-se que o primeiro flange no

suportaria tal presso e muito provavelmente faria com que o material escoasse,

gerando folga na transmisso. A tenso de escoamento do Ao 1020 em torno de 16

vezes maior que a do alumnio, o que suportaria a fora atuante, porm, como a falta

de material era notvel e a informao de que nenhum elemento de transmisso de

movimento (polias e correias) chegaria, o alumnio foi utilizado como material.

Figura 5 Flange do Eixo1

3.1.7 Mancais de rolamento

De acordo com dimetro, com o tipo de carga (carga radial), e com o tempo de

vida, foi selecionado o mancal de rolamento, para o primeiro eixo de dimetro 25mm,

de referncia 6005, com 47mm de dimetro externo e 25mm de dimetro interno.

Para o segundo eixo de dimetro 20 mm, foi selecionado o mancal de rolamento

de referncia 6004, com 42mm de dimetro externo e 20mm de dimetro interno.

Para o terceiro eixo de dimetro 15 mm, foi selecionado o mancal de rolamento de

referncia 6002, com 32 mm de dimetro externo e 15 mm de dimetro interno.

Figura 6 Suporte para mancal de rolamento montado com o mancal e eixo

3.1.8 Leiaute final

Com o projeto mecnico detalhado foi possvel dimensionar o leiaute concebido

pelo Projeto Preliminar. Abaixo se tem a Figura 7 que ilustra a projeo em CAD da

soluo em posio de descanso.

Figura 7 Vista explodida do prottipo

3.1.9 Base estrutural Para a sustentao do brao, foi pensado uma base onde ficariam alojadas as

placas eletrnicas, transformadores eltricos e um motor NEMA-34 com o redutor

planetrio 10:1 (motor responsvel pelo rotao do brao). A forma hexagonal foi

escolhida para melhorar o fluxo de ar dentro da base, onde um coller responsvel

por impulsionar o ar para dentro da estrutura e o outro para retirada do ar.

Os drives de potncia foram acoplados na viga central da base, onde dentro

dela alojam-se o motor e o redutor, junto com a fonte responsvel pela tenso nos

collers. Na parte inferior da base, ficaram os transformadores responsveis pela

tenso na fonte e tenso dos drives de potncia.

Com o intuito de proteger as placas eletrnicas e de tornar o projeto bem visual, a

base isolada do meio externo por placas de policarbonato, onde em uma delas ficou

anexado a placa me (responsvel pela comunicao entre drives, HMI e 8051), kit

8051 e entrada para cabos de fora e bobinas dos motores de passo

A inteno de alocar estes elementos na base foi livrar o peso na ponta do brao,

pois causaria um aumento considervel no momento fletor nos perfis.

3.2 Projeto eletrnico-digital

3.2.1 Microcontrolador O microcontrolador empregado possui arquitetura da famlia 8051, seu modelo

especfico o Atmel AT89S8253 que como principais caractersticas apresenta:

12Kbytes de memria de programa;

2Kbytes de EEPROM;

Operao entre 2,7V e 5,5V;

256Bytes de RAM interna.

Figura 8 - Microcontrolador Atmel AT89S8253.

P0:

P0.0 => livre

P0.1 => LCD

P0.2 => LCD

P0.3 => livre

P0.4 => LCD

P0.5 => LCD

P0.6 => LCD

P0.7 => LCD

P1:

P1.0 => seta para cima

P1.1 => seta para esquerda

P1.2 => seta para direita

p1.3 => seta para baixo

P1.4 => boto de OK

P1.5 => seleciona modo (M/A)

P1.6 => livre

P1.7 => livre

Figura 9 Esquema eltrico do

controle dos atuadores.

P2:

P2.0 => direo

P2.1 => motor1 step

P2.2 => motor2 step

P2.3 => motor3 step

P2.4 => motor4 step

P2.5 => motor5 step

P2.6 => motor6 step

P2.7 => livre

P3:

P3.0 => RXD

P3.1 => TXD

P3.2 => INT 0

P3.3 => sensor 1

P3.4 => sensor 2

P3.5 => sensor 3

P3.6 => sensor 4

P3.7 => sensor 5

Para facilitar a utilizao foi empregado o uso do KIT de desenvolvimento para

microcontroladores da famlia 8051, projetado e produzido pelo Professor dson Melo.

A Figura 9 apresenta o diagrama esquemtico feito no software Proteus do sistema de

controle do microcontrolador.

3.2.2 Firmware

O firmware desenvolvido para o controle do brao tem como caracterstica a

simplicidade. Ele composto por dois modos de execuo: manual e programa. No modo

manual o usurio ter a liberdade de movimentar o brao em todos ou seus graus e em

tempo real. No modo de programa o usurio escolher um dos programas gravados no

firmware e mandar execut-lo.

A programao do sistema segue o fluxograma apresentado abaixo pela Figura 10:

Figura 10 Fluxograma do firmware

3.2.3 Drive de potncia Os drives de motor de passo empregados na soluo foram projetados e desenvolvidos

pelo Professor Nelso Gauze Bonacorso, e possuem caractersticas marcantes que o

tornaram a deciso mais aceitvel em termos de acionamento dos motores de passo deste

projeto, so estas caractersticas:

Segurana (possui diversos sistemas de proteo eltrica):

Versatilidade (possui os modos de operao Half Step, Full Step e Micro Passo,

alm de ser bidirecional):

Potncia x Custo (possui uma potncia grande para seu custo de produo):

Consagrao ( um elemento consagrado na utilizao em Projetos Integradores da

Instituio).

Na Figura 11, temos o Driver desenvolvido pelo Professor Bonacorso.

Figura 11 - Drive desenvolvido.

3.2.4 Alimentao

A alimentao do projeto feita atravs de um transformador simtrico de 220V para -

18 +18 que responsvel pela alimentao dos drives de potncia desenvolvidos pelo

professor Nelso, uma fonte comercial que responsvel pela alimentao do KIT 8051, uma

fonte para alimentao do display e sensores e uma outra fonte para alimentao dos drives

de potncia. A Figura 12 abaixo representa o esquema eltrico gerados pelo programa

Proteus da fonte responsvel pela alimentao dos drives e dos fans. A fonte de

alimentao do display constituda por um esquema idntico a parte correspondente a 5V.

Figura 12 Esquema eltrico da fonte.

3.2.5 IHM

A IHM a ser utilizada possui um display de LCD (16x2) para exibio das informaes

de motores e programas, 4 setas direcionais, um boto de executar, um boto de duas

posies para seleo entre modo automtico e modo manual e um boto de emergncia,

como representado na Figura 13 a seguir:

Figura 13 - IHM

4. Resultados obtidos

Os resultados obtidos com relao ao projeto foram satisfatrios, atendem aos

requisitos de cliente e aos requisitos de projeto. Os conhecimentos para calcular e

dimensionar as peas mecnicas foram adquiridos, portanto as peas foram dimensionadas

atendendo as necessidades de projeto.

Os projetos eletrnico e digital foram atendidos, pois os testes em bancadas

demonstraram a capacidade e a clareza de controle do processo, j que a nica coisa que

difere estes testes da realidade a dimenso do motor.

5. Trabalhos futuros

Futuramente, adquirindo-se conhecimentos em robtica e controle, o brao poder

ser aperfeioado para um funcionamento CNC, podendo assim desenvolver tarefas de alto

grau de preciso, tanto para funes de manipulao quanto de solda ou injeo de fluidos,

por exemplo.

6. Concluso

Apesar dos problemas e dificuldades encontradas durante a realizao do projeto e a

impossibilidade de validao do projeto, foram adquiridos conhecimentos em elementos

mecnicos, sistemas embarcados e em CAD utilizando o Solidworks.

O prottipo foi idealizado e montado at onde foi possvel, com os materiais que se

tinham. Habilidade em encontrar solues diferentes durante o processo de fabricao para

solucionar problemas de falta de material ou defeitos de projeto tambm foi aperfeioada.

Por tratar-se do primeiro projeto envolvendo mecnica em sua essncia, e embora

no tenha sido concludo de acordo com suas metas e especificaes, a barreira do novo foi

quebrada e esperamos que nos prximos projetos, aonde estaremos munidos dessa

experincia obtida no decorrer do projeto, possamos tomar decises com maior rapidez e

encontrar solues cada vez mais simples e aperfeioadas para os problemas que, sem

dvida, surgiro.

Referncias [1] SIMES, A. S.; RICCHETTI, P. F.; Projeto e implementao de um brao robtico de baixo custo: uma plataforma multidisciplinar para motivao do trabalho em grupo. In: Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia, 31. 2003. Rio de Janeiro. [2] BACK, N.; OGLIARI, A.; DIAS, A.; SILVA, J. C. Projeto Integrado de Produtos. Barueri, SP, Editora Manole Ltda, 2008. [3] Elementos de Projeto. Disponvel em: http://www.dee.feb.unesp.br/~marcelo/robotica/conteudo.html#P1. Acesso em: 08/03/2010 [4] BONACORSO, N. G.; NOLL V.; GEVAERD B. M. Desenvolvimento de um driver de corrente didtico para acionamento de motores de passo aplicados ao ensino de eletrnica de potncia e mecatrnica. Centro Federal de Educao Tecnolgica de Santa Catarina - CEFET/SC. Santa Catarina. [5] CARRARA, V. Apostila de Robtica. Universidade Braz Cubas. So Paulo. [6] PATSKO, L. F. Tutorial controle de motor de passo. Maxwell Bohr Instrumentao Eletrnica. 2006. [7] DINA. Disponvel em: http://www.dina.com.br. Acesso em: 15/04/2010.

[8] 3D ContentCentral. Disponvel em: http://www.3dcontentcentral.com. Acesso em: 18/04/2010.

[9] SKF. Disponvel em: http://www.skf.com/portal/skf/home. Acesso em: 21/04/2010.

[10] ALCOA. Disponvel em: http://www.alcoa.com/brazil/pt/custom_page/mercados.asp. Acesso em: 06/04/2010.