revista mecatronica atual - edicao 001

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  • 8/2/2019 Revista Mecatronica Atual - Edicao 001

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    NOTCIAS

    3MECATRNICA ATUAL N1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001

    Robs ExploramInteligncia

    Artificial no MIT

    Uma excurso multimdia no mundo da inteligncia artificial podeser vista na exposio Robots and Beyond (Robs e Alm) realiza-da nos laboratrios do MIT (Massachussets Institute of Technoloy -http://web.mit.edu - onde os cientistas esto pesquisando os mistriosda AI (Artificial Inteligence) a quatro dcadas.

    O que diferencia a exposio que alm de focalizar a pesquisa ea experimentao em Inteligncia Artificial, mostra tambm o aspecto

    prtico do produto final. Desde o momento em que os visitantes entramna exposio, eles j participam da pesquisa do MIT. Muitos dos proje-tos apresentados so tanto experimentais como experienciais, com oprprio visitante tendo acesso s cenas que precederam todo o pro-cesso de inveno.

    Na exposio possvel obter detalhes dos famosos robs doMIT como o Cog, um rob criado para sentir seu ambiente atravsde sensores tanto visuais como tcteis. Atravs de prottipos eoutros meios, o visitante pode seguir a evoluo do Cog desde

    quando ele era umrob primitivo, atadquirir todo umsofist icado siste-ma de sensores.Nesta exposiotambm pode-seperceber que, paraser eficiente, umrob no precisa tero mesmo tamanhode um ser humano.Robs microscpi-os so uma dasatraes que de-mosntram isso.

    RobsSubmarinos

    Ajudam PesquisaArqueolgica

    Um estranho objeto em for-ma de charuto foi encontradono fundo do oceano por umrob submarino. Analisandomelhor as imagens enviadaspelo rob o arqueologista ma-

    rinho Robert Chruch constatouque sua descoberta nada maisera do que um submarino ale-mo da Segunda Grande Guer-ra que havia afundado 50anos antes. A uma profundi-dade de 5000 ps (1500metros). No dia 30 de julho de1942 o U-166 afundou um na-vio americano e depois dissoele prprio afundou. No entan-to, o que mais importa para osengenheiros o uso industrialdo rob, denominado AUV(Autonomous UnderwaterVehicle) que pelo novo concei-to tecnolgico que emprega,pode ajudar muito na pesqui-sa no fundo do oceano para aconstruo de dutos de leo egs. O AUV opera sem cabossendo controlado por operado-res a partir da superfcie, almde usar cmeras com muitomelhor qualidade de imagem.

    Coq olhando Rod Brooks, diretor do Laboratrio deInteligncia Artificial do MIT e fundador do Humanoid

    Robotics Group).

    MECAMECAMECAMECAMECATRNICATRNICATRNICATRNICATRNICA

    NOTCIASNOTCIASNOTCIASNOTCIASNOTCIASNewton C. Braga

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    MECATRNICA ATUAL N1/OUTUBRO-NOVEMBRO/20014

    NOTCIAS

    Computador Industrial IPC TotalmenteConfigurvel

    O Computador Industrial IPC totalmente configurvel um dos

    mais recentes lanamentos da Festo Automao. Elke pode controlarat 4000 pontos de entradas e sadas e ainda ser utilizados em pe-quenas e mdias aplicaes, pois totalmente configurvel. Tambmse destaca neste computador sua capacidade de entradas e sadasanalgicas, sensores de temperatura e possibilidade de controle demotores de passo, servomotores e servoposicionamento pneumtico.

    O Computador Industrial IPC pode controlar redes Field Bus comprotocolos Festo Field Bus, Profibus, Interbus, Can Bus, e AS-Interface. Na sua configurao, permite ainda o acoplamento de Dis-co Rgido, Floppy Disk, Impressora, Teclado, Mouse e Monitor VGA.Mais informaes em: www.festo.com.br.

    Nasa Cria Rob em Forma de Bola ParaAtividades Espaciais

    A Bola Espacial (Flying SpaceBall) o novo rob da NASA queest sendo desenvolvido para rea-lizar tarefas de forma autnoma emespaos apertados como, porexemplo, dentro de uma estaoespacial ou dentro do nibus espa-cial. O rob em forma de bola tersensores, equipamentos de vdeo,sistema de comunicao de dadossem fio e uma unidade inteligentede processamento que lhe permiti-r entender comandos verbais e to-

    mar decises.

    Mini Robs Mveis Para Alunos da UDESC

    UDESC (Santa Catarina) adquiriu dois robs fixos, de 80 quiloscada, capazes de manusear peas de at 5 quilos e tambm umindustrial pesando 100 quilos, os quais devero ser utilizados em pes-quisas de iniciao cientfica com alunos de Engenharia Eltrica, deComputao e em teses de mestrado. Dois professores doutores em

    Robtica do laboratrio da UDESC devem introduzir uma microcmeranos robs mveis para o desenvolvimento de um software que permi-ta movimentos laterais.

    IBM DescobreDedos de Silcio

    Capazes de Detec-tar Defeitos no

    DNA

    Cientistas da IBM na Uni-versidade da Basileia (Sua)descobriram a possibilidade dese usar micro mecanismosbio-mecnicos de silcio capa-zes de detectar defeitos noDNA. O Jornal Science deAbril, notcia que o DNA seorganiza na forma de dedos quetm uma espessura da ordem

    de 1/50 do cabelo humano.A IBM e investigadores uni-

    versitrios revelam novo fen-meno no qual foram observa-das tores na seqncia doDNA com o aparecimento deminsculas estruturas de sil-cio quando as molculas se li-gam possibilitando assim adeteco de defeitos muito pe-quenos. A presena do silcionestas estruturas tm implica-

    es importantes que podemlevar a nanorobs capazes demanipular diretamente o DNA.

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    NOTCIAS

    5MECATRNICA ATUAL N1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001

    Novo Sensor ptico Proporciona Sensoriamentode Alta Preciso

    Novo Motor DC com apenas 8 mm No Usa Ferro

    A Portscap anuncia a disponibilidade imediata de seu novo motor DC da srie 08 G.Capaz de produzir um torque 50% maior do que os motores equivalentes de mesmotamanho, ele tem apenas 8 mm de dimetro podendo substituir motores maiores emmuitas aplicaes o que leva a novos nveis de miniaturizao sem afetar a performancedos produtos. O motor tem uma potncia de 700 mW e velocidade at 11 600 RPM,disponvel em dois comprimentos (16 mm e 19 mm).

    Informaes em: http://www.danahermcg.com/default2.asp

    Um novo sensor transmissivo ptico com umamontagem horizontal nica foi anunciado recentementepela Vishay Intertechnology. Com uma abertura de 0,5mm o novo componente Vishay Telefunken TCST5250foi otimizado para sensoriamento de alta preciso emobjetos com movimento horizontal em codificadoresde engrenagens, VCRs, equipamento de arma-zenamento de dados, rodas codificadores de motoresDC e outras aplicaes com limitao de espao. Ins-

    talado num invlucro de plstico polycarbonato comuma altura de apenas 9 mm o TCST5250 proporcionauma abertura de 2,7 mm e um passo de terminal de2,54 mm. Como sensor transmissivo, ele foi otimizadopara ser usado em equipamentos compactos com oposicionamento face a face de um diodo emissor eum foto-transistor. A faixa de operao de luz de950 nm com uma resoluo de 0,4 mm. Informaesem: www.vishay.com

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    MECATRNICA ATUAL N1/OUTUBRO-NOVEMBRO/20016

    NOTCIAS

    Vishay Despacha o Diodo De Vidro Nmero 150 000 000 000

    Fraude Redes Neurais Podem Resolver?

    Redes Neurais visam imitar padres biolgicos ca-pazes de fazer um reconhecimento. Basicamente, elasimitam os neurnios do nosso crebro, mesmo queainda no saibamos exatamente como eles funcio-nam no reconhecimento de padres. Uma idia queest em curso a utilizao do reconhecimento depadres para detectar operaes fraudulentas comcartes de crdito. A idia obter um padro que per-mita comparar transaes reais com fraudulentas demodo a se poder fazer a deteco com facilidade. Atual-mente, o que se usa um programa baseado emfractais que emprega a lgica de Bayes que, segundo

    se afirma, bem eficiente. Neste sistema a detecode fraudes detectada com base na medio de ter-mos positivos falsos que indicam se a operao fraudulenta ou no. Em Robtica, o uso das redesneurais, segundo estes mesmos princpios, pode agre-gar a um rob um certo sentido que lhe permita noser enganado ao receber um comando que o mandecumprir uma funo indevida.

    No entanto, preciso ainda comparar os resulta-dos entre as duas abordagens: redes neurais ou fractaispara se obter aquela que tenha o melhor desempenhoneste tipo de aplicao.

    A Vishay Intertechnology Inc anunciou recentemen-te o despacho de uma encomenda onde completa afabricao de 150 bilhes de diodos de vidro. Estesdiodos so usados em aplicaes que vo de co-mutao de alta velocidade em circuitos como com-putadores e telefones celulares at sintonia em r-dios de AM e FM. A Vishay produz mais de 10 bi-lhes de diodos anualmente e o fornecedor n-

    mero um na Europa deste tipo de dispositivo e osegundo do mundo.

    Os diodos de vidro so componentes simples mas,segundo a Vishay, fabric-los em tamanha quantida-de, mantendo a qualidade, no uma tarefa simples.Para mais informaes sobre a Vishay e sua linha decomponentes visite o site: www.vishay.com/products/diodes_rectifiers

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    MECATRNICA ATUAL N1/OUTUBRO-NOVEMBRO/20018

    ESPECIAL

    INTRODUO

    O mundo vem presenciando nosltimos anos o avano vertiginoso daMicroeletrnica, num ritmo que at omomento no tem dado sinais dedesacelerao. Como resultado, soobtidos circuitos eletrnicos cada vezmais rpidos e poderosos, mas para-doxalmente cada vez menores, maisbaratos e econmicos. Associados di-

    retamente Microeletrnica, o com-putador digital e as Cincias da Com-putao tambm se desenvolvem ra-pidamente, num crculo virtuoso emque computadores mais poderososfavorecem o desenvolvimento de apli-caes mais complexas, que por suavez exigem cada vez mais podercomputacional.

    Apesar desses resultados estaremcausando uma ampla revoluotecnolgica na Engenharia e nasociedade em geral, quando so asso-

    ciados sistemas mecnicos que se

    observa um maior impacto nos sistemasprodutivos e no cotidiano das pessoas.

    No de hoje que componenteseletrnicos (tais como sensores,atuadores eletro-mecnicos e circui-tos de controle) so utilizados no con-trole e acionamento de sistemas me-cnicos. No entanto, foi o recente de-senvolvimento dos circuitos integradosque possibilitou a produo em largaescala e baixo custo de micropro-

    cessadores dedicados conhecidoscomo microcontroladores. Hoje essesdispositivos eletrnicos esto presen-tes no apenas em mquinas e equi-pamentos industriais mas tambm nosautomveis, nas mquinas de lavarroupas, nos sistemas de ar condicio-nado, aparelhos de vdeo, etc. Os sis-temas mecnicos sofreram profundasmodificaes conceituais com a incor-porao da capacidade de proces-samento, o que permitiu torn-los maisrpidos, eficientes e confiveis, a cus-

    tos cada vez menores.

    No Japo, a combinao bem su-cedida de Mecnica, Eletrnica e

    Processamento Digital em produtos deconsumo recebeu o cognome deMecatrnica no final da dcada de 70.A figura 1 representa de forma gen-rica um sistema mecatrnico. Ossensores captam as informaes domundo fsico que so processadasdigitalmente, resultando em aes decontrole. O sistema de controle agesobre o sistema fsico atravs deatuadores. Disto resulta um sistemarealimentado, que pode representarsistemas com nveis variados de com-

    plexidade.Essa combinao pode gerar uma

    gama muito ampla de aplicaes, detal forma que o termo Mecatrnicapode ser interpretado de formas dife-rentes dependendo da aplicao emquesto. Este artigo tem seu foco naAutomao Industrial, com particularnfase na indstria de manufatura.Este o foco adotado no curso deEngenharia Mecnica com habilitaoem Automao e Sistemas da Escola

    Politcnica da USP (EPUSP), com oqual os autores se encontram envol-vidos (Cozman, 2000).

    MECATRNICA

    Muitos engenheiros consideramque a Mecatrnica surgiu com o de-senvolvimento dos robs. Os projetosna rea de Robtica impulsionaram odesenvolvimento de outras reas, taiscomo o controle realimentado a partirda fuso de informaes sensoriais,

    tecnologias de sensores e atuadores,

    MECAMECAMECAMECAMECATRNICATRNICATRNICATRNICATRNICAUma AborUma AborUma AborUma AborUma Abordagem Vdagem Vdagem Vdagem Vdagem Voltada Automao Industrialoltada Automao Industrialoltada Automao Industrialoltada Automao Industrialoltada Automao Industrial

    A Mecatrnica pode ser definida como a integrao de Me-cnica, Eletrnica e Computao de forma concorrente. Essacombinao tem possibilitado a simplificao dos sistemasmecnicos, a reduo de tempos de desenvolvimento e custos,e a obteno de produtos com elevado grau de flexibilidade ecapacidade de adaptao a diferentes condies de operao.Os conceitos de Mecatrnica podem ser empregados numa vastagama de aplicaes, sendo que este artigo focado na rea deAutomao Industrial.

    Julio Cezar AdamowskiProfessor Titular do Departamento de Engenharia Mecatrnica e de Sistemas Mecnicos

    Escola Politcnica da USP

    Celso Massatoshi FurukawaProfessor Doutor do Departamento de Engenharia Mecatrnica e de Sistemas Mecnicos

    Escola Politcnica da USP

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    ESPECIAL

    programao de alto nvel, cinemticae dinmica. O grande avano na reade Robtica somente foi possvel como surgimento do microprocessador,pois o controle de trajetria dos robs

    articulados envolve clculos complica-dos que devem ser realizados em tem-po real.

    Segundo Schweitzer da ETH deZurich (1996), Mecatrnica uma reainterdisciplinar que combina a Enge-nharia Mecnica, a Engenharia Ele-trnica e Cincias da Computao.

    Van Brussel, da Universidade Ca-tlica de Leuven (1996), consideraMecatrnica como a combinao deEngenharia Mecnica, Engenharia deControle, Microeletrnica e Cincia daComputao, numa abordagem de en-genharia concorrente, isto , deve-seter uma viso simultnea das possibi-lidades nas diferentes disciplinas en-volvidas, em contraste com as abor-dagens tradicionais que geralmentetratam os problemas separadamente.

    Salminen, da empresa FIMET daFinlndia (1992), define Mecatrnicacomo sendo a combinao de mec-nica e eletrnica para melhorar a ope-rao em vrios aspectos, aumentar

    a segurana e reduzir custos de m-quinas e equipamentos. Presume-seque o autor considera a Computaocomo parte da Eletrnica.

    Acar, da Universidade deLoughborough na Inglaterra (1996),considera a Mecatrnica como umafilosofia de projeto, baseada naintegrao de Microeletrnica, Com-putao e Controle em SistemasMecnicos, para se obter a melhorsoluo de projeto e produtos comum certo grau de inteligncia e fle-

    xibilidade.

    Existem vrios outros artigos quediscutem a definio de Mecatrnica(Ashley, 1997), porm verifica-se queo ponto comum maioria das abor-dagens , mais que a simples soma,

    a integrao de diferentes tecnologias.A partir de meados da dcada de

    80, pases como Austrlia, Japo,Coria do Sul, alm de alguns pasesEuropeus, iniciaram a criao de cur-sos de graduao e ps-graduaovoltados ao ensino multidisciplinar deMecatrnica (Acar, 1997).

    Nos Estados Unidos no foramcriados cursos especficos de Enge-nharia Mecatrnica, porm foramintroduzidas, nos currculos dos cur-sos de graduao, disciplinas queapresentam o conceito de Mecatrnica(Ashley, 1997). Na grande maioria dasFaculdades de Engenharia dosE.U.A., as modificaes foram feitasnos cursos de Engenharia Mecni-ca, com disciplinas que abordam aintegrao de Mecnica, Eletrnicae Computao, para o desenvolvi-mento de componentes e mquinas.

    Na Finlndia foi introduzido em1987 um programa especial de pes-quisa em Mecatrnica com a partici-

    pao de quatro universidades tcni-cas. Este programa contou com umoramento de 6,5 milhes de dlaresat 1990, e a participao de aproxi-madamente 80 indstrias atuando emsetores estratgicos (mquinas parafabricao de papel, telefonia mvel,mquinas florestais, robs especiais)(Salminen, 1996). O programa atingiuo objetivo de difundir os conceitos deMecatrnica nas indstrias e em 1995um novo programa foi introduzido, comhorizonte de quatro anos e um ora-

    mento de 20 milhes de dlares, en-

    volvendo universidades, centros depesquisa e indstrias, com novos te-mas na rea de Mecatrnica.

    Na Inglaterra, a comunidade envol-vida com Mecatrnica s recebeuaceitao oficial em 1990 com a cria-

    o de um Frum de Mecatrnicaapoiado pelo IEE (Institute of ElectricalEnginners) e o MechE (Institute ofMechanical Engineers) (Hewit, 1996).

    No Brasil, o primeiro curso de gra-duao em Mecatrnica surgiu no fi-nal da dcada de 80, como uma inicia-tiva pioneira da Escola Politcnica daUSP. O curso, denominado Automaoe Sistemas, foi implementado no De-partamento de Engenharia Mecnica,aproveitando-se o ncleo do curso deEngenharia Mecnica, ao qual se in-

    troduziram disciplinas novas de Ele-trnica e Computao (Cozman,2000). Este curso foi iniciado em 1988e j formou cerca de 450 engenheirosat o final de 2000.

    CONCEITOS DE MECATRNICA

    Atualmente a Mecatrnica enten-dida como uma filosofia relacionada aplicao combinada de conheci-mentos de reas tradicionais como aEngenharia Mecnica, Eletrnica e

    Computao de forma integrada econcorrente, conforme mostra a figu-ra 2. Uma combinao para ser con-corrente deve extrair o que h de maisadequado em cada uma das reas, detal forma que o resultado final maisdo que a simples soma de tais es-pecialidades, mas sim uma sinergiaentre elas.

    O conceito de Mecatrnica repre-senta a combinao adequada de ma-teriais (resistncia dos materiais, com-

    portamento trmico, etc.), mecanis-mos (cinemtica, dinmica), sensores,atuadores, eletrnica e processamen-to digital (controle, processamento desinais, simulao, projeto auxiliado porcomputador), possibilitando as seguin-tes caractersticas:

    a) No projeto

    Simplificao do sistema me-cnico;

    Reduo de tempo e de custo de

    desenvolvimento;

    Figura 1 - Sistema mecatrnico.

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    ESPECIAL

    facilidade de se introduzir modi-

    ficaes ou novas capacidades; flexibilidade para receber futu-

    ras modificaes ou novas funciona-lidades.

    b) No produto:

    flexibilidade de operao:programabilidade;

    inteligncia: capacidade parasensoriar e processar informaespara se adaptar a diferentes condies

    de operao; auto-monitorao e prevenoativa de acidentes;

    auto-diagnstico em caso defalhas;

    reduo do custo de manuten-o e consumo de energia;

    elevado grau de preciso econfiabilidade.

    Vejamos alguns exemplos de comoesses resultados so possveis, den-tro da rea de Automao Industrial.

    Sistemas tais como mquinas fer-

    ramentas e mquinas de manufatura

    em geral eram compostos por meca-

    nismos para sincronizao de movi-mentos e normalmente acionados porum s atuador (em geral, um motoreltrico). A grande complexidade dosmecanismos exigia preciso elevadapara diminuir folgas e dispositivos delubrificao para reduzir atritos. Essasmquinas sofreram um grande desen-volvimento, com a introduo do con-trole numrico computadorizado(CNC), possibilitando a obteno depeas com formas tridimensionais

    complexas. Os Controladores LgicosProgramveis (CLP) possibilitaramgrandes modificaes na indstriacom a automao de processos, me-lhorando o desempenho e a qualida-de dos produtos.

    A utilizao de mecanismos els-ticos tem se tornado uma realidadee possibilita a eliminao de juntasarticuladas, por exemplo. Estrutu-ras flexveis podem ser controladas,atravs de sensores e atuadoresmontados ao longo dessas estrutu-

    ras, passando a apresentar compor-

    tamentos desejados, como porexemplo, maior rigidez e eliminaode modos de vibrao.

    As aplicaes de computao emEngenharia Mecnica evoluram a par-tir do incio da dcada de 80 com a

    evoluo vertiginosa do poder deprocessamento dos computadores,acompanhado por um imenso declniode preos. Antes disso, programaspara anlise estrutural, trmica ou flui-da eram rodados em computadorestipo main framecom entrada de da-dos em cartes perfurados e sadasem forma de listagens. Atualmenteesses programas de anlise oferecemexcelentes interfaces grficas para ousurio, tanto relacionadas entradade dados como apresentao dos re-

    sultados. Hoje, modelos matemticossofisticados e cada vez mais comple-xos podem ser simulados mesmo emcomputadores pessoais.

    NVEIS

    Para alguns, Mecatrnica o con-ceito de engenharia integrada que uti-liza CAD e CAM para gerar um produ-to complexo como, por exemplo, umrob. Um engenheiro de produo,por outro lado, pode entender a

    Mecatrnica como sendo a imple-mentao de um sistema flexvel demanufatura. Um engenheiro, ao pro-

    jetar uma cmara de vdeo, podeentend-la como a utilizao de ele-trnica numa aplicao Mecnica. Jum engenheiro qumico pode enten-der a Mecatrnica como o controle deum processo qumico utilizandosensores e atuadores, controlados porum processador digital. Provavelmen-te todos esto corretos, pois a

    Mecatrnica est presente em diferen-tes nveis.Neste artigo so definidos os se-

    guintes nveis:Componente(por exemplo, circui-

    tos integrados, sensores, atuadores,mecanismos);

    Mquina (mquinas de usi-nagem, medio, inspeo, movimen-tao, embalagem);

    Sistema (FMS - flexible manu-facturing system, FAS - factoryautomation system, CIM - computer

    integrated manufacturing).

    Figura 2 - Uma representao esquemtica da Mecatrnica.

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    A atuao profissional nos diferen-tes nveis est relacionada com o graude compreenso exigido dos fenme-nos fsicos envolvidos: quanto maisprximo, maior deve ser o domniosobre eles. O nvel de componente

    exige o maior grau de domnio, en-quanto que o nvel de sistema requero menor. Desta forma, conforme nosdistanciamos do nvel fsico, diminui-se a complexidade fsica envolvidadevido ao aumento do nvel de abs-trao. Por outro lado aumenta tam-bm a complexidade lgica do siste-ma, exigindo maior poder de pro-cessamento para lidar com uma mai-or quantidade de informao. o queilustra a figura 3.

    No caso de um sensor de tempe-

    ratura, por exemplo, precisamos terconhecimento dos fenmenos fsicosque podem ser utilizados para reali-zar a medida (variao de resistncia,dilatao trmica, juno termo-par,etc), as vantagens e desvantagens decada um, as condies em que a me-dida dever ser feita (tempo de res-posta, faixa de temperatura, precisoe condies ambientais adversas), ea eletrnica necessria para con-dicionar o sinal e permitir a sua leitu-ra. No caso extremo do projeto de um

    sensor desse tipo, a informao de-sejada o valor real de uma tempera-tura, e seu processamento envolve atransduo para um sinal eltrico.

    No noutro extremo, um sistema deautomao de fbrica (FAS) deve li-dar com informaes bastante abstra-tas, tais como adequao de esto-ques, capacidade produtiva das m-quinas, previses de demanda, esca-

    las de manuteno, possibilidade defalhas, limites de consumo de energia,etc. A gerao de um planejamentootimizado de produo (o que produ-zir, quando e como) e o posterior con-trole da produo (com correes ocor-rendo ao longo do trabalho) exige oconhecimento preciso e instantneo detodas estas variveis e de muitas ou-tras mais, alm de envolver algoritmossofisticados para tomada de decises.

    DISCUSSO

    O ponto importante do conceito eda filosofia de Mecatrnica a combi-nao concorrente da Mecnica, Ele-trnica e Computao, de forma inte-grada para se obter, no produto, ca-ractersticas, tais como, flexibilidade einteligncia, e no projeto, sistemas me-cnicos mais simples, reduo de cus-tos e facilidade para se introduzirmodificaes.

    Os grandes desafios impostos pelaMecatrnica so: atualizao constan-

    te e projetos visando a integrao deconhecimentos de diferentes reas.Osmeios de comunicao tm acompa-nhado esta evoluo e a Internettem

    possibilitado consulta rpida a forne-cedores e fabricantes de componen-tes, mquinas e sistemas. A integra-o, sendo uma caracterstica dos pro-

    jetos em Mecatrnica, exige do pro-fissional no apenas um conhecimen-

    to tcnico abrangente, mas tambma habilidade para trabalhar em equi-pe, uma vez que seria muito difcil umnico profissional ter domnio totalsobre todas as reas envolvidas.

    O rpido desenvolvimento cientfi-co e tecnolgico que estamos presen-ciando inviabiliza a formao de pro-fissionais com profundo domnio detodas as especialidades que com-pem a Mecatrnica, exigindo que aeducao ocorra de forma continu-ada mesmo aps a concluso do

    curso. l

    REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

    1. Acar M., Parkin R.M.,Engineering Education for Mecha-tronics, IEEE Transactions on Indus-trial Electronics, vol. 43, no. 1, p.106-112, 1996.

    2. Acar M., MechatronicsChallenge for the Higher EducationWorld, IEEE Transactions onComponents, Packing, and Manu-

    facturing Technology, vol. 20, no. 1,p.14-20, 1997.

    3. Ashley S., Getting a Hold onMechatronics, Mechanical Enginee-ring, ASME, maio de 97, p. 60-63,1997.

    4. Cozman F.G., Furukawa C.M., AReestruturao Curricular do Curso deMecatrnica da Escola Politcnica,Anais do COBENGE 2000, Ouro Pre-to, MG, out. 2000.

    5. Hewit, J.R. & King, T.G.,

    Mechatronics Design for ProductEnhancement, IEEE/ASME Transac-tions on Mechatronics, vol. 1, no. 2,p.111-119, 1996.

    6. Salminen V., Ten Years ofMechatronics Research and Industri-al Applications in Finland, IEEE/ASMETransactions on Mechatronics, vol. 1,no. 2, p.103-105, 1996.

    7. Van Brussel H.M.J., Mecha-tronics A Powerful ConcurrentEngineering Framework, IEEE/ASMETransactins on Mechatronics, vol. 1, no.

    2, p.127-136.

    Figura 3 - A complexidade fsica maior no nvel de componente, enquanto que a complexidadelgica maior no nvel de sistema

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    PNEUMTICA

    Atualmente, podemos afirmar queseria quase impossvel projetar qual-quer sistema de Automao sem re-corremos aos recursos da eletrnica.Presente em todos os sistemas quenecessitam de:

    confiabilidade; segurana operacional;

    rapidez na gerao dos sinais decomando, gerando produtividade, pro-dutos seriados com a qualidade as-segurada, e conseqentemente redu-o de custos, no produto terminado.

    As aplicaes da Automao, sejaela Pneumtica, Hidrulica ou qualqueroutra forma que dependa dos coman-dos da Mecatrnica (Mecnico + Ele-trnica) esto presentes nas grandes,mdias ou pequenas empresas, comampla gama de contribuies.

    Destacamos a mecanizao de

    tarefas manuais, a automao ou

    semi-automao de mquinas dosmais diversos tipos, a construo dedispositivos que executam automati-camente seqncias operacionaissimples ou mais complexas, tudo istofacilmente integrado Microeletrnicae Informtica.

    Hoje, os componentes de campo,tais como; sensores, transmissores depresso, de temperatura, vlvulassolenides, sinalizadores, alarmes,lmpadas , etc., e sem deixar de men-cionar, os Controladores LgicosProgramveis (CLPs), superam suasprprias perspectivas.

    De um simples projeto - o de abrire fechar uma porta, at o mais dossofisticados computadores que co-mandam todos os controles de umaNave Espacial, a Eletrnica se faz pre-sente, oferecendo segurana e

    confiabilidade.

    Imaginem o segmento bancrio,operando sem os recursos dos com-

    putadores - seria um caos atender todos os servios e as facilidades ge-radas atravs da Eletrnica, sem falarda Internet, pelo sistema da rede deTelecomunicao Computadorizada.

    Uma empresa , que no utiliza osrecursos dos computadores, seja para:controle de estoque, de vendas, deproduo - anlise dimensional de pe-as - CAD - controles estatsticos -projetos, entre outros servios, certa-mente estar fora de competio nomercado atual.

    E na linha de produo, onde in-meros comandos so responsveispara:

    alimentar, posicionar, fixar, expulsar;separar, girar, contar, dosar, ordenar; imergir, elevar; alimentao de fitas com avan-

    os compassados; unidades de avano giratrio pas-

    so-a-passo; Robtica; entre outras aplicaes.

    possvel imagin-los sem os re-cursos da Automao Eletrnica?E na rea da Automao Pneum-

    tica, podemos elaborar dispositivossem a ajuda da Eletrnica? Sim, sque no podemos contar com aconfiabilidade operacional destesequipamentos, pois seus recursos deaplicao so limitados.

    Exemplo: Um comando pneumti-co que depende de um acionamentode fim de curso pneumtico e/ou me-cnico; ser que podemos confiar no

    seu sinal de retorno informando:

    Hoje, bastante comum, Engenheiros de Automao Industri-al, Tcnicos em Instrumentao, estudantes de Mecatrnica, en-tre outros profissionais, elaborarem seus projetos, sem se preo-cuparem com os componentes e demais elementos de Campo.

    Nosso objetivo principal, fazer um alerta estes profissionais,para que especifiquem, em seus projetos, produtos de alta quali-dade e com a confiabilidade assegurada, pois somente assim seusprojetos tero resultados positivos.

    A rea de Automao Pneumtica, hoje responsvel pela maio-ria dos comandos, utilizados em Robtica, Processos Industriais,

    Malhas de Instrumentao, etc., o tema principal deste artigo.

    A imporA imporA imporA imporA importncia dostncia dostncia dostncia dostncia dos

    COMPONENTESCOMPONENTESCOMPONENTESCOMPONENTESCOMPONENTESPNEUMTICOS...CONFIVEISPNEUMTICOS...CONFIVEISPNEUMTICOS...CONFIVEISPNEUMTICOS...CONFIVEISPNEUMTICOS...CONFIVEIS

    Jos Carlos AmadeoCentro Universitrio Salesiano de So Paulo

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    PNEUMTICA

    pea posicionada - vlvula sole-nide de emergncia fechada , por-ta do forno aberta, etc., e sua segu-rana operacional ?

    Vamos imaginar uma mquinacomplexa, responsvel por 60% da

    produo (de alta responsabilidade),cujo investimento para a empresa foibastante representativo, e por qual-quer motivo esta mquina parar, porfalha de algum componente pneum-tico. Ser prejuzo na certa para aempresa, gerando atrasos na produ-o, em seus compromissos de entre-gas, no seu faturamento , etc.

    Temos estatsticas que uma mqui-na parada por razes de manuteno/reparos, ou mesmo para troca de umsimples componente, sua hora mqui-

    na parada representa para a empre-sa, R$ 10.000,00/hora, aproximada-mente, dependendo do tipo de mqui-na e dos componentes instalados.

    Nossa imaginao est voltadapara esta mquina - fabricada no Bra-sil ou importada - e que vem equipa-da com blocos de vlvulas pneum-ticas - comando solenides - e comum programa de CLP incorporado. Ofabricante , por razes desconheci-das ou mesmo por questes de re-duo de custos, especificou, no

    item vlvulas/componentes pneu-mticos, uma certa marca X . Seesta mquina for importada - ex.:USA, entre o despacho de origem, atsua chegada ao Porto de Santos, etranslado para a Capital, passaram-se05 meses - (prazo bastante otimista).Seus componentes pneumticos, edemais acessrios instalados , fica-ram inativos durante este perodo.

    Nos Termos de Garantia, os fa-bricantes costumam mencionar: No

    garantimos seus componentes por usoinadequado e/ou aplicaes que noestejam dentro dos descritivos tcni-cos ... - ou coisas semelhantes.

    HORA DE INSTALAR A MQUINA

    Se o instalador possuir algunsconhecimentos em AutomaoPneumtica, suas primeiras provi-dncias sero:

    Verificar o local da instalao; Se existe neste local, ponto de

    ar comprimido, caso contrrio, insta-

    lar dentro das especificaes e dasnormas tcnicas exigidas pelo fabri-cante, componentes confiveis, poiseste ser mais um dos acessrios res-ponsveis pelo bom andamento dosequipamentos;

    Ler as especificaes tcnicado manual, quanto: a presso deoperao (mxima e mnima), siste-mas de filtragem do ar comprimido,temperatura ambiente, se este equi-pamento necessita ser instalado emsalas climatizadas, entre outras no-tas importantes;

    O conjunto de preparao e tra-tamento do ar comprimido, filtro/regulador de presso e Lubrificador,dever atender todas exignciasem relao a: qualidade do ar com-

    primido, instalao de f i ltroscoalescentes, secador de ar, vazo/presso, etc.;

    Lubrificao: se a mquina ope-ra com ou sem lubrificao, especifi-car para compras, o leo recomen-dvel (confiveis), especial para sis-temas de lubrificao pneumtica;

    Entre outras inmeras providncias.

    E em relao as vlvulas decomando pneumticas instaladas...so confiveis?" Esto em condiespara entrar em operao?

    O que adiantou os engenheiros/tcnicos em Mecatrnica projetar

    seus comandos / CLPs com os maissofisticados componentes eletrnicos,garantindo movimentos operacionais,atravs dos sinais I/O, se no final dalinha existem componentes, nestecaso, pneumticos, sujeitos a falhas?

    Nosso alerta est voltado para ousurio final, ou mesmo para os pro-

    jetistas que dever especificar/exigirdo fabricante, seja ele nacional oumesmo de produtos/mquinas impor-tadas, que seus componentes pneu-mticos. Exemplo: vlvulas soleni-

    des, sejam de alta tecnologia e quetenham no Brasil, representantes/dis-tribuidores autorizados com assistn-cia tcnica, para que em caso deemergncia, falha de algum compo-nente, queima de uma bobina da vl-vula solenide ou mesmo aps umlongo perodo operacional tenham, nolocal, peas de reposio.

    Figura 1 - Exemplo de uma vlvula solenide de ao Direta, com a nova tecnologia Spool & Sleeve.

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    MECATRNICA ATUAL N 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/200114

    PNEUMTICA

    UM ALERTA, EM RELAO ASVLVULAS E DEMAIS COMPO-

    NENTES PNEUMTICAS

    J esto disponveis no mercado

    nacional, vlvulas pneumticas comnova tecnologia, chamada de: Atecnologia do Spool & Sleeve.

    Trata-se de vlvulas pneumticasque operam sem guarnies de bor-racha, ou seja, sem as tradicionaisvedaes do tipo O rings, garantin-do desta forma, confiabilidade emseus comandos, maior rapidez de co-mutao, alta vazo constante, longavida operacional , entre outros bene-fcios. A figura 1 mostra um exemplo

    deste tipo de vlvula.A TECNOLOGIA SPOOL SLEEVE

    PASSO-A-PASSO

    Esta tecnologia formada por umcarretel deslizante e um cartucho flutu-ante. Confeccionados em ao inox compreciso micromtrica e submetidos atratamento trmico de endurecimento.

    Sendo balanceado, ao injetar-seo ar comprimido na vlvula, o Spool centrado no Sleeve e o ar ao redor

    deste, formando um colcho de ar,

    que passa a atuar como se fosseum rolamento pneumtico evitandoqualquer contato metal-metal, con-seqentemente, sem nenhum atri-to no conjunto. Alm disso:

    O ajuste perfeito entre o Spoole o Sleeve dispensa as vedaes di-nmicas tipo O rings, tornando adurabilidade das vlvulas quase infi-nita e sem vazamentos.

    Trabalhando com ou sem lubrifi-cao elas resistem a contaminantes,misturas pegajosas e ferrugem dasredes de ar (redes antigas) por vriosanos sem manuteno.

    As afiadas arestas existentes noSpool formam uma perfeita lmina nos

    orifcios de passagem do ar no Sleeve,funcionando como raspadores, com-batendo os elementos de contamina-o da rede de ar comprimido.

    Possuem extrema versatilidadede aplicao, como: presso-vcuo,dupla-presso, vcuo-vcuo, etc.

    Atravs desta nova tecnologia,a confiabilidade de comando geradaspelos CLP's estar garantida.

    Esta nova tecnologia permiteque as vlvulas pneumticas operemisentas de lubrificao, no poluindo

    e/ou contaminando o ambiente de tra-

    balho, eliminando desta forma, o leoque sai pelos escapes, contrrio aosmodelos de vlvulas que necessitamoperar com lubrificao permanente.

    Atuadores pneumticos - Cilindros

    - responsveis pelos movimentos/forasentre outras funes, tambm dispon-veis para operar sem lubrificao.

    A figura 2 mostra um exemplo devlvula servo-pilotada em corte.

    importante divulgar esta novatecnologia, pois as vlvulas pneum-ticas, que possuem as tradicionaisguarnies de borracha, como ele-mentos de vedao, podem ressecar,por falta de uma lubrificao adequa-da, ou mesmo apresentar desgastes

    pelo seu uso constante, provocandofalhas, resultando as paradas de m-quinas, para troca dos jogos de re-paros, alm do desperdcio do arcomprimido, provocados pelos vaza-mentos (desgaste natural dos com-ponentes de borracha).

    Podemos afirmar que nadaadiantaria fazer uso da alta tec-nologia dos Comandos Eletrnicos,sejam estes, de fabricao atual oumesmo do prximo sculo, se noutilizarmos Componentes Pneum-

    ticos Confiveis.l

    Figura 2 - Exemplo de vlvula solenide servo-pilotada em "corte".

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    ELETRNICA

    O maior problema para osmontadores de automatismos mec-nicos como braos mecnicos, robs,pequenos veculos controlados dis-tncia, etc., est na obteno das par-tes mecnicas.

    Muitos, desmontando brinquedose eletrodomsticos fora de uso e mes-

    mo equipamentos de uso especializa-do que usam elementos mecnicosacabam por conseguir muitos compo-nentes importantes como motores,engrenagens, polias, etc e a partirdeles construir sistemas de reduo,movimentao de alavancas, braose em alguns casos at montarservosmecanismos.

    No entanto, trata-se de um verda-deiro trabalho de "garimpagem" quenem sempre leva s solues deseja-das, alm de dar muito trabalho. Com

    a disponibilidade de computadores em

    praticamente qualquer laboratrio dedesenvolvimento, a possibilidade dese controlar dispositivos mecnicos apartir de programas automatizadores,de um teclado ou mesmo de um

    joystick, torna-se cada vez mais ten-tadora, e as escolas que ensinamMecatrnica sabem disso e at mes-

    mos os profissionais que tentamimplementar seus prprios projetosnesta rea.

    No entanto, esbarra-se ainda naparte mecnica que pode significar adiferena entre o xito e o fracasso dequalquer projeto.

    Mas, o problema tem algumassolues simples que podem facilitarbastante o trabalho dos projetistas.

    A disponibilidade no mercado deuma caixa de reduo com caracte-rsticas padronizadas e que funciona

    com tenses que so facilmente obti-

    das a partir de circuitos eletrnicoscomuns pode ajudar bastante os lei-

    tores interessados.

    CAIXA DE REDUO

    A Saber Marketing Direto Ltda. temna sua linha de produtos uma caixade reduo que pode servir para a re-alizao de uma infinidade de proje-tos que envolvam o controle de dispo-sitivos mecnicos a partir de sinaiseltricos.

    CAIXAS DE REDUOCAIXAS DE REDUOCAIXAS DE REDUOCAIXAS DE REDUOCAIXAS DE REDUOSoluo para a realizao de projetos de

    Mecatrnica

    Um dos problemas para a realizao de projetos prticos queenvolvam automatismos mecnicos acionados por meio de circui-tos eletrnicos, como por exemplo, a partir de computadores e cir-cuitos digitais de controle a obteno de componentes mecni-cos. A Mecatrnica, que une as tecnologias da Eletrnica e daMecnica est se difundindo cada vez mais e muitas escolas j pos-suem cursos regulares desta disciplina. No entanto, elas enfren-tam muitas dificuldades justamente pela impossibilidade deimplementao de projetos didticos simples, acessveis e bara-tos que possam ser realizados no nvel exigido pelos cursos. Uma

    soluo interessante que apresentamos neste artigo consiste nouso de caixas de reduo.

    Newton C. Braga

    Esta caixa de reduo, conformemostra a figura 1, consta de um motorde corrente contnua de 6 volts queaciona um conjunto de engrenagensmetlicas, obtendo-se assim uma re-duo de velocidade numa proporoque pode ser considerada ideal paraaplicaes em Mecatrnica, Robticae automatismos mecnicos diversos.

    Como os motores de corrente con-tnua possuem uma velocidade quedepende de sua carga, no poss-vel definir exatamente a velocidade da

    reduo, mas ela estar entre 0,5 e 1

    Figura 1 - Uma caixa de reduo para projetosde Mecatrnica.

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    ELETRNICA

    giro por segundo, tipicamente, depen-dendo de quanta fora voc desejarque ela aplique num mecanismo.

    Para um motor pequeno, esta taxade reduo permite uma multiplicaoconsidervel da fora, o que quer di-zer que no eixo de reduo obtm-seum torque considervel.

    De fato, enrolando-se diretamen-te um fio neste eixo, possvel deslo-car um peso considervel, conformemostra a figura 2.

    COMO USAR

    A maneira mais simples de secontrolar o motor a partir de sinaisde pequena intensidade faz uso deum transistor NPN ou PNP de m-dia potncia de uso geral, mostradona figura 3.

    Para se alterar a velocidade de ro-tao numa faixa bastante ampla po-demos usar um controle PWM combase em circuitos integrados simples.Assim, o circuito da figura 4, altera ociclo ativo do sinal retangular aplica-do no motor de modo a modificar suavelocidade com um mnimo de perdade torque nas baixas rotaes.

    Neste circuito tambm podemosusar um transistor de efeito de campo

    de potncia (Power FET) que capazde controlar vrios ampres de cor-rente com grande facilidade.

    Esta caracterstica importante,pois diferentemente dos reostatos co-muns no existe uma faixa morta emque o motor alimentado mas noparte, saindo depois da imobilidade

    j com boa velocidade. Este proble-ma, muito notado em ferrovias em mi-niatura, autoramas e robs mveis,no ocorre com este tipo de controle.

    Uma aplicao interessante con-siste na inverso da polaridade e por-tanto do sentido de rotao por meiode uma ponte de transistores ou pon-te H como chamada.

    Este circuito mostrado na figura 5,funciona da seguinte forma: quando onvel do sinal de controle alto, con-duzem os transistores Q1 e Q3, com acorrente passando num sentido pelomotor. Quando o nvel do sinal de con-trole baixo, conduzem os transisto-res Q

    2e Q

    4com a circulao da cor-

    Outras caixas de reduo:Muitos brinquedos que se movimentam no tm suas rodas

    propulsoras diretamente acopladas aos motores, pois eles so dealta rotao e neste caso deseja-se baixa rotao e maior torque.Assim, comum que nestes brinquedos j encontremos os moto-res acoplados pequenas caixas de reduo que tanto podem terengrenagens plsticas como de metal. Estes motores, com suascaixas de reduo, podem ser usados em diversos projetos deMecatrnica.

    A vantagem principal deste siste-ma est na facilidade que se tem deacoplar o eixo a qualquer dispositivo

    que se deseje movimentar e na pos-sibilidade de se controlar o motorcom tenses e correntes relativa-mente baixas.

    Tambm observamos que pos-svel inverter o sentido de rotao dosistema, bastando para isso que seinverta a circulao da corrente nomotor.

    Para os projetistas de Mecatrnica,Robtica e automatismos mecnicosexiste uma outra vantagem importante

    no uso destas caixas: a possibilidadede se conseguir diversas unidadescom caractersticas semelhantes, ga-rantindo assim uniformidade na aodo projeto. Certamente isso no vaiocorrer se peas isoladas forem apro-veitadas de sucatas ou montadas apartir de componentes isolados apro-veitados da mesma forma.

    Tambm importante observarque o prprio motor original pode serfacilmente trocado, caso o projetistadeseje caractersticas diferentes para

    seu automatismo.

    Figura 2 - A fora do motor fica multiplicadapela reduo.

    Figura 3 - Um controle linear de velocidade.

    Figura 4 - Um controle PWM para motor e caixa de reduo.

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    ELETRNICA

    rente pelo motor no sentido inverso. Acombinao deste circuito com o an-terior permite que se tenha um dom-

    nio completo sobre o sentido de rota-o e a velocidade do motor.

    Observe que estes circuitos permi-tem o controle digital da caixa de re-duo o que pode ser interessante nasaplicaes que envolvam o uso decomputadores.

    Para se usar o computador (PC)diretamente no controle de uma caixade reduo (ou mais) podemos obteros sinais de sua porta paralela.

    Para isso, basta conhecer os sinaisobtidos nesta porta que so discuti-dos com maiores detalhes no artigo:"Os Segredos da Porta Paralela".

    Em cada sada D0

    a D7

    temos si-nais de controle que podem drenarcorrentes mximas de 24 mA e forne-cer correntes mximas de 2,4 mA auma carga externa. Isso significa que,para maior segurana sempre deve-remos fazer os acionamentos com aporta correspondente no nvel baixoou ento usar buffers apropriados. Oacionamento direto por meio de tran-

    sistores mostrado na figura 6. Nestecircuito o uso de transistores PNP fazcom que o motor seja acionado quan-do o nvel lgico na sada seja 0.

    A fonte de alimentao do motor(ou motores) deve ser separada, maso ponto de terra deve ser comum coma fonte do computador.

    Para que o acionamento do motorocorra com o nvel lgico 1 podemoster um inversor que mostrado na fi-gura 7. Para usar buffersdevemos lem-brar que as sadas do PC casam-se

    com a tecnologia TTL LS e HC MOS.

    Finalmente, para maior segurana

    nos projetos, pode ser usada umainterface com isoladores pticos, casoem que se garante que qualquer pro-blema eltrico que ocorra no v re-fletir no computador. Um circuito des-te tipo mostrado na figura 8. im-portante observar que os buffers in-ternos do computador que fornecemsinais a sua sada normalmente fazemparte de chipscom outras funes in-

    Figura 5 - Um controle de direo para motor DC usando uma ponte H.

    Figura 6 - Acionamento direto de motor pelaporta paralela (nvel baixo).

    Figura 8 - Interface com acoplador ptico.

    ternas, como por exemplo, o controledos drivers. Isso significa que umdano acidental nos circuitos dasportas pode ter conseqncias gra-ves para o PC.

    Desta forma, ao implementar qual-

    quer circuito de controle com seu com-putador olhe com especial cuidadopara as conexes da DB25.

    Qualquer curto nesta parte docircuito pode ser fatal para a inte-gridade de seu computador.A idaao nvel lgico baixo ou alto sem en-contrar uma limitao de correntesignifica uma sobrecarga que os cir-cuitos do computador no suportam.

    Lembre-se tambm que os circui-tos das portas so tri-statepermane-cendo num estado indeterminado

    (nem 0 nem 1) na ausncia de sinalde habilitao.

    Com relao aos programas decontrole eles podem ser facilmenteelaborados em Quickbasic (Qbasic),Visual Basic, Delphi ou qualquer ou-tra liguagem de alto nvel ou mesmode baixo nvel que so ensinadas noscursos tcnicos. l

    Figura 7 - Acionamento direto no nvel alto.

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    DISPOSITIVOS

    18

    O controle do fluxo e da comutao de gases bem como devapores, encontra aplicao direta em salas limpas para fabrica-o de circuitos integrados, em hospitais, para controle do fluxode anestesia, em fornos de sinterizao de materiais, para meta-lurgia, dentre outras possveis. Neste artigo apresentaremos umsistema para comutao e controle do fluxo de massa para ga-ses de entrada num forno trmico destinado a sinterizao, oxi-dao e nitretao de materiais. O sistema automatizado aquiapresentado para o controle de fluxo e seqenciamento de diver-sos gases num forno um exemplo de projeto mecatrnico que

    utiliza atuadores mecnicos, eltricos e controle viamicrocomputador.

    Na construo de um sistemaautomatizado de comutao e con-trole do fluxo de gases, so normal-mente empregados trs tipos de dis-positivos bsicos que so os pneu-mticos, os para gases e os eletr-nicos. Uma associao de dispositi-vos pneumticos interligados por tu-

    bos e alimentados por ar comprimi-do resulta num circuito puramentepneumtico. J a associao de dis-positivos para gases resulta empainis de gases assim como a as-sociao de dispositivos eletrnicosresulta em circuitos eletrnicos. Umsistema automatizado de comutaoe controle do fluxo de gases nadamais do que um circuito hbridocontendo os trs tipos de disposi-tivos mencionados. Os circuitospneumticos incluem fonte de ar com-

    primido, mangueiras ou tubulaes,

    vlvulas, cilindros simples ou duplos,filtros, etc. Os circuitos que compemos painis de gases incluem vlvulasagulha, rotmetros, controladores defluxo de massa (mass flow controllers),tubulaes rgidas ou flexveis (poliflo),reguladores, filtros, vlvulas, etc. Fi-nalmente, os dispositivos eletrnicos

    (transistores, resistores, etc.) permi-tem implementar circuitos de interfacecom microcomputadores de modo ase conseguir fazer a programao dosfluxos e da seqncia de gases quesero inseridos, por exemplo, numdado forno trmico.

    CIRCUITOS PNEUMTICOSPARA GASES

    A tabela 1 mostra os smbolosdos dispositivos pneumticos mais

    comuns os quais, conforme j dis-

    semos, podem ser interconectadosentre si de forma a implementar cir-

    cuitos completos. Nesta tabela, po-demos destacar que o cilindro deao simples possui um mbolo li-gado a uma mola. Quando o ar com-primido introduzido no comparti-mento sem a mola, o mbolo se mo-vimenta e atua empurrando umavareta para fora do cilindro. Mais tar-de, a mola movimenta o mbolo emdireo contrria quando existir au-sncia de presso no compartimen-to sem mola. J no cilindro de aodupla, o mbolo pode ser movimen-

    tado para a esquerda ou para a direi-

    Sistema Automatizado de

    COMUTCOMUTCOMUTCOMUTCOMUTAO DE GASES EAO DE GASES EAO DE GASES EAO DE GASES EAO DE GASES ECONTROLE DO FLUXO DE MASSACONTROLE DO FLUXO DE MASSACONTROLE DO FLUXO DE MASSACONTROLE DO FLUXO DE MASSACONTROLE DO FLUXO DE MASSA

    Aplicao em Fornos TrmicosSebastio G. dos Santos Filho

    Professor Associado do Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrnicos LSI/PSI/EPUSPEscola Politcnica da USP

    Tabela 1 - Smbolos representativos dosdispositivos pneumticos mais comuns.

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    DISPOSITIVOS

    ta dependendo do compartimentoonde inserido o ar comprimido e omesmo tambm atua sobre umavareta. Por outro lado, a vlvula umdispositivo bsico que permite ou noa passagem de ar comprimido quan-

    do acionada. Na tabela 1 mostradoo smbolo de uma vlvula com cami-nho entre os pontos 1 e 2 habilitadotendo o acesso 3 fechado. Os tipospossveis de acionamento de umavlvula para ar comprimido estomostrados na tabela 2. Observe quea posio da seta entre os terminais1 e 2 corresponde ao caminho ativa-do pela fonte de acionamento(solenide, boto, alavanca, pedal,batente, rolete ou mola) enquanto queo acesso 3 representado na figura fica

    fechado aps o acionamento.A caixa indicada no lado esquer-do da figura 1 representa uma vlvu-la cujo caminho entre os pontos P eA foi acionado atravs de uma ten-

    Para analisar os dispositivos dospainis de gases, considere a tabela3 onde temos representada asimbologia tpica de todos aquelesque so mais comumente emprega-dos. Estes dispositivos destinam-se

    a no apenas controlar o fluxo mastambm seqenciar os gases dese- jados por uma dada linha de sadaconectada, por exemplo, num fornotrmico. A figura 3(a) mostra um cir-cuito hbrido onde uma vlvulasolenide para ar comprimido em-pregada em conjunto com uma vl-vula para gs (normalmente fecha-da) de forma a permitir o acionamentoeltrico da passagem do mesmo, isto, a vlvula solenide controla a pas-sagem de ar comprimido o qual, por

    sua vez, ativa a vlvula de gs. Vejaque quando a energizamos asolenide, o caminho entre A e P habilitado. Em seguida, o mbolo docilindro de ao simples movimenta

    Tabela 2 - Vlvulas pneumticas onde soindicados os tipos mais comuns de acionamento.

    Figura 1 - Vlvula pneumtica normalmentefechada acionada eletricamente por tensoaplicada a uma solenide. A caixa do ladoesquerdo representa o acionamento por

    solenide e a caixa do lado direito representa aposio de repouso assegurada por uma mola.

    so aplicada a um solenide ficandoa via B fechada. Numa etapa seguin-

    te representada pela caixa dese-nhada do lado direito, com a ausn-cia de tenso aplicada na sole-nide, o caminho entre os pontosA e B acionado por uma mola fi-cando desta vez a via P fechada.A figura 2 mostra um exemplo co-mercial cujo smbolo j foi apresen-tado na figura 1. Trata-se da vlvu-la solenide MUFH-3-PK-3 fabri-cada pela FESTO. Observe que aenergizao do solenide feitacom 220 V eficazes da rede atra-

    vs de uma chave S1.

    Figura 2 - Vlvula solenide MUFH-3-PK-3fabricada pela FESTO cujo smbolo foi

    apresentado na figura 1.

    Tabela 3 - Componentes tpicos empregadosem painis de gases.

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    MECATRNICA ATUAL N1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001

    DISPOSITIVOS

    20

    uma vareta que abre a vlvula e libe-ra a passagem de gs entre os pon-tos C e D. Este tipo de associao comum em painis de gases os quaispodem ser controlados de forma re-mota atravs de chaves discretasque ativam tenses eltricas ou ain-da atravs de circuitos de interface

    conectados a um microcomputadorno qual exista um software de con-trole. A figura 3(b) mostra uma repre-sentao simplificada da vlvulasolenide conectada ao cilindro deao simples e, ainda, a figura 3(c) equivalente ao circuito da figura 3(b)

    Figura 3 - Circuito hbrido para acionamento de uma vlvula para gs entre os pontos C e D:(a) Representao esquemtica completa; (b) Representao tambm completa mas comsmbolo mais simples para a vlvula solenide; (c) Representao simplificada de uma vlvula

    para gs acionada por vlvula solenide pneumtica.

    Tabela 4 - Formas de acionamento de uma vlvula para controlar a passagem de gs.

    sendo que o cilindro ficou imbutidona vlvula de gs. Na ltima seodeste artigo, voce ter a oportunida-de de ver um circuito eletrnico sim-ples de interface para microcom-putador para acionamento remoto deum painel de gases.

    Convm tambm destacar no

    caso da vlvula para gs da tabela 3que o acionamento pode ser feito,alm daquele mostrado na figura 3(b),tambm das diversas maneiras mos-tradas na tabela 4. Veja que, noacionamento pneumtico/eltrico, te-mos presente diversos componentes

    pneumticos como os cilindros deao simples e dupla associados avlvulas solenides para ar compri-mido. O acionamento pode tambmser via manual, motor e eletromag-ntica. Neste ltimo caso, o campo

    eletromagntico da solenide movi-menta uma vareta que abre uma vl-vula que estava normalmente fecha-da. A mola tem a funo de deixar avlvula normalmente fechada na au-sncia de campo.

    Por outro lado, o controlador defluxo de massa (MFC: Mass FlowController) um outro dispositivo parags que permite um controle extre-mamente preciso do fluxo de gs emuma dada linha. A figura 4 mostra umdiagrama completo de um controlador

    de fluxo de massa. O fluxo de gsque passa entre os pontos A e B controlado para ficar estvel numvalor especfico pr-programado. Con-forme indicado na figura 4, o MFC composto de um bloco I onde semede o fluxo de massa e um bloco IIque controla o fluxo de massa deforma a se igualar com um valor dereferncia (set point).

    Considerando inicialmente o blo-co I onde se mede o fluxo de massa,normalmente fabrica-se o tubo por

    onde passa o gs em ao inoxidvelinternamente eletropolido a fim de ga-rantir alto nvel de limpeza eminimizar reaes qumicas entre ogs e o referido tubo. Observe vocna figura 4 que existem dois sensoresde temperatura nos dois extremos dotubo de ao eletropolido e umesquentador ao centro. Quando o gsflui atravs do tubo, ele carrega calorde uma extremidade a outra sendoque quando maior o fluxo, maior a

    quantidade que transportada. Po-rm, esta quantidade de calor trans-portada proporcional a diferena detemperatura entre os dois sensorese, portanto, proporcional ao fluxo demassa. A diferena de temperatura medida com a ajuda de uma pontede Wheastone onde os sensores soresistncias com um coeficiente devariao com a temperatura. As re-sistncias associadas aos sensores1 e 2 nas temperaturas T

    Ee T

    S, res-

    pectivamente, podem ser escritas, tam-

    bm respectivamente, como segue:

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    21MECATRNICA ATUAL N1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001

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    e (1)

    onde Ta a temperatura ambiente e o coeficiente de variao com atemperatura.

    Supondo:

    e,

    podemos dizer que a corrente quepassa nos dois ramos da ponte deWheastone so aproximadamente

    iguais e dadas por:

    (2)

    Dessa forma, a diferena de po-tencial na sada da ponte (entre ospontos C e D) que proporcional aofluxo de massa m ser dada por:

    = = (3)

    Considerando agora o bloco II,verifica-se facilmente que o sinal decontrole que vai para a entrada da vl-vula eletromagntica tipo proporcional dado por K(m- mS), isto , o fluxode massa medido (m) constante-mente comparado com o set point

    (mS). Quando m e mS se igualam, osinal que vai para a vlvula solenidepassa a ser nulo e no h nenhumacionamento. Desta forma, ficando o flu-xo constante no valor de set point mS.

    Existe uma gama muito grande defabricantes de controladores de flu-xo de massa (MFC) dentre os quaispodemos citar MKS, BROOKS eTYLAN que invariavelmente obede-cem o princpio de funcionamento jdescrito e so construdos geralmen-

    te para operar: (a) numa ampla faixade presso de entrada do gs de pro-cesso at 1500 psi, (b) numa largafaixa de fluxos at 30 slpm (litros porminuto), (c) com rpida resposta a

    Figura 4 Diagrama funcional do controlador de fluxo de massa (MFC).

    Figura 5 Diagrama esquemtico de um painel de gases conectado a um forno trmicoconvencional para lminas de silcio.

    ( )( ) = + ( )( ) = +

    ( )

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    Figura 6 Diagrama completo do painel de gases para controle do fluxo e comutao dos gases nitrognio (N2), argnio (Ar), mistura comercial

    argnio/hidrognio (Ar/H2), oxignio (O

    2), amnia (NH

    3), xido nitroso (N

    2O) e gs clordrico (HCl).

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    mudana de fluxo de processo (se-gundos), (d) com partes internas re-sistentes a gases corrosivos e (e)opcionalmente com sada padropara microcomputador.

    CONSTRUO DE UM PAINEL DEGASES PARA FORNO TRMICO

    Os fornos trmicos tem sido em-pregados em etapas avanadas deprocesso visando a fabricao de cir-cuitos integrados. Estas etapas con-sistem em tratamentos trmicosnuma dada temperatura durante umtempo pr-fixado em um ambiente

    gasoso de tipo e fluxo pr-escolhido.A figura 5 mostra um diagramaesquemtico de um painel de gasesconectado a um forno trmico no qualfoi inserido lminas de silcio.Opcionalmente, fornos de processa-mento trmico rpido poderiam seralimentados pelo mesmo painel degases da figura 5 onde uma nicalmina por vez carregada horizon-talmente no tubo de quartzo e a re-sistncia enrolada junto ao tubo substituda por bancos de lmpadas

    halgenas.

    Os gases inertes (N2, Ar) desti-nam-se a tratamentos de difuso dedopantes no silcio, o oxignio (O2)permite fazer oxidaes, a misturapadro Ar/H2 (90% Ar + 10 % H2) per-mite fazer tratamentos de sin-terizao entre camadas de metal eentre metal e silcio, os gases a basede nitrognio (NH3 ou N2O) permitemfazer a nitretao da superfcie daslminas de silcio e finalmente o gsclordrico inserido conjuntamentecom o oxignio destina-se enrique-

    cer a taxa de oxidao do silcio. O

    Tabela 5 Tabela de converso de presses (fonte: Manual VAT).

    Figura 7 Conexo VCR macho e fmea juntamente com o smbolo caracterstico

    para circuitos de painis de gases.

    Figura 8 Representao da construo fsicado controlador de fluxo de massa 2159B e acorrespondente pinagem do conector de 15

    pinos para controle remoto do fluxo de massa.

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    leitor interessado em entender o en-cadeamento das etapas de proces-so para fabricao de circuitos inte-grados deve, por exemplo, se repor-tar ao Apndice A do livroMicroeletrnica (traduo) de A.

    Sedra (veja nas referncias bibliogr-ficas deste artigo).Tambm importante destacar na

    figura 5 que todos os gases de en-trada no painel de gases estopressurizados numa dada presso deentrada (tipicamente 50 psi) enquan-to que a sada do forno trmico en-contra-se na presso ambiente de 1atmosfera (1 atm ou 760 Torr). A ta-bela 5 muito til pois permite fazera converso de presso para qual-quer unidade conhecida.

    A figura 6 apresenta um esque-ma completo do painel de gases pro- jetado que pode ser controlado viamicrocomputador atravs de umacionamento adequado das vlvulassolenides (SC1, SC2, SC3, SP1, SP2,SP

    3, SA

    1, SA

    2, SA

    3, SA

    4, SA

    5, SA

    6,

    SA7, SS

    1e SS

    2). Para cada gs de

    entrada numa presso tpica de en-trada de 50 psi, existe um filtro deentrada (para eliminar contaminaopor particulado) em srie com umavlvula manual. Antes da operao

    do painel, estas vlvulas manuais deentrada devem ser abertas. Observeque os gases corrosivos (NH3, N2O eHCl) possuem um circuito de purga

    em nitrognio que ativado aps ouso para evitar a corroso das linhasde gases. Observe que o diagramada figura 6 at que relativamentesimples e mesmo assim apresentauma formao tipo rvore com um

    nmero relativamente grande de com-ponentes. Historicamente os siste-mas controladores de fluxo de gaseseram chamados de selvas porqueestes sistemas eram construdos emsalas apropriadas e tinham o aspec-to de selvas de tubos e vvulas.

    A lgica de controle do sistemade gases da figura 6 tal que qual-quer tratamento trmico deve sersempre iniciado em gs inerte (N

    2ou

    Ar) e na seqncia podem vir O2, Ar/

    H2, NH

    3ou N

    2O. O HCl, em particu-

    lar, empregado com fluxo de at600 sccm (centmetros cbicos porminuto) em conjunto com O2 num flu-xo substancialmente mais alto (at6 litros/minuto). Aps a etapa no gsde processo desejado, seja ele cor-rosivo ou no, o tratamento trmicodeve terminar em ambiente inertequando ento as lminas de silcioso retiradas vagarosamente do for-no ainda aquecido na temperaturade processo. Todos os fluxos dosgases so previamente programa-

    dos nos controladores de fluxo demassa atravs da tenso de setpoint na faixa de 0 a 6 litros porminuto (slpm).

    Observe voc na figura 6 que parahabilitar o nitrognio na sada do cir-cuito, basta acionar as vlvulassolenide SA1 e SS1 (por hiptese avlvula manual M1 deve estar acio-nada e o set point do controlador de

    fluxo de massa MF1 deve estar pre-viamente ajustado). Por outro lado,para acionar a amnia na seqncia,devemos desativar as solenidesSA1 e SS1 e em seguida ativar assolenides SC1, SA5 e SS1. Finalmen-te, para terminar o processo denitretao, as chaves SC

    1, SA

    5e SS

    1

    so desativadas e as solenides SA1

    e SS1

    so novamente ativadas. Noteneste exemplo que comeamos eterminamos em gs inerte. O proces-so de purga da linha de amnia

    feito aps as lminas de silcio te-rem sido retiradas do forno. Nestecaso, as solenides SA1 e SS1 sodesabilitadas e as solenides SP1,SA5 e SS1 so habilitadas. Com isso,asseguramos a durabilidade docontrolador de fluxo de massa e dostubos de gs. Este processo de pur-ga particularmente importante parao caso do gs clordrico que o maiscorrosivo dos trs gases que tem cir-cuito de purga na figura 6.

    O projeto mostrado na figura 6

    pode ser implementado com vriasbitolas de tubo. A bitola aqui escolhi-da foi a de de polegada que amais comum para a faixa de fluxosde gs empregados para fornos tr-micos. Alm disso, a escolha dasconexes entre as tubulaes e osdispositivos tem importncia funda-mental. As conexes do tipo VCRapresentadas na figura 7 so aque-las que asseguram o melhor grau delimpeza do painel de gases. Todos os

    gases utilizados em etapas de pro-cesso para microeletrnica soultrapuros e, portanto, no devemsofrer contaminaes ao passar dopainel para a entrada do forno. Avedao da conexo VCR assegu-rada quando uma anilha (gasket) esmagada aps forar o rosquea-mento entre os terminaes ma-cho e a fmea apresentadas nafigura 7.

    Veja na figura 6 que esto repre-sentadas todas as conexes VCR.

    importante destacar que diversas co-

    Figura 9 Circuito para acionamento individual das solenides das vlvulas SC1, SC

    2, SC

    3,

    SP1, SP

    2, SP

    3, SA

    1, SA

    2, SA

    3, SA

    4, SA

    5, SA

    6, SA

    7, SS

    1e SS

    2indicadas na figura 6. Veja que

    este circuito deve ser replicado 15 vezes e os sinais de acionamento podem ser provenientes,por exemplo, da porta paralela de um PC.

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    25MECATRNICA ATUAL N1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001

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    Figura 10 Diagrama esquemtico completo do hardware necessrio para controle automtico do painel de gases. Cada estgio 247C permiteefetuar a leitura e a gerao de set point para at 4 controladores de fluxo de massa.

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    nexes padres podem ser adquiri-das no mercado com tees, cruzes,Ls, etc. Alm disso, possvel es-pecificar soldagens de terminaesmacho ou fmea nas extremida-des de tubos internamente eletro-

    polidos. As soldagens de terminaesem tubos eletropolidos feita atra-vs de sistema de descarga a arcoespecialmente projetado para estefim (Veja, por exemplo, o sistemaCWS-100 DR no portal apresenta-do na referncia 5). Tambm, paraver outros tipos de conexes almdaquelas apresentadas na figura 6,navegue no portal apresentado nareferncia 5.

    A lista de material necessriopara construir o painel de gases apre-

    sentado na figura 6 a seguinte:

    a) Circuito pneumtico

    - 15 vlvulas solenides MUFH-3-FK-3 FESTO;

    - 20 metros de mangueira deinterconexo entre vlvula solenidee vlvula para gs.

    b) Circuito para gases

    - 2 Controladores de fluxo de mas-

    sa 2159B-10000RV-S (SPCAL =5VDC para 6000 sccm de N2O ou O2)da MKS;

    - 1 Controlador de fluxo de mas-sa 2159B-10000RK-S (SPCAL =5VDC para 600 sccm de HCl) daMKS;

    - 1 Controlador de fluxo de mas-sa 2159B-10000RK-S (SPCAL =5VDC para 2000 sccm de NH3) daMKS;

    - 2 Controladores de fluxo de mas-

    sa 2159B-10000RV-S (SPCAL =5VDC para 6000 sccm de N2, Ar ouAr/H2) da MKS;

    - 1 Controlador de fluxo de mas-sa 2159B-00100SV (SPCAL = 5VDCpara 100 sccm de HCl) da MKS;

    - 8 vlvulas Nupro normalmente fe-chadas acionadas por ar comprimido;

    - 8 vlvulas manuais;- 8 filtros de de entrada para gs;- 11 Tees (316L-4-ATW-3-4TB7-4A,

    tube weld manifold tee);- 5 Ls (316L-4-ATW-9, Tube

    weld elbow);

    - 14 unies fmeas duplas (SS-4-WVCR-6-DF, Double Female union);

    - 25 terminaes macho (SS-4-VCR-3-4MTW, VCR Male weld gland);

    - 50 metros de tubos eletropolidosde um quarto de polegada.

    Os controladores de fluxo de mas-sa modelo 2159B da MKS apresen-tam-se em srie com uma vlvula degs normalmente fechada, acionvelvia solenide, com conector de 15pinos para entrada de alimentao15V, tenso de set-point na faixa de0 a 5 VDC, terra, sinal de fluxo desada, pontos de teste e pontos noconectados conforme indicado nafigura 8.

    INTERFACE COM

    MICROCOMPUTADOR PC

    Vamos agora apresentar os circui-tos de interface para controleautomatizado do painel de gases uti-lizando um microcomputador PC. Afigura 9 mostra um circuito paraacionamento individual de cadasolenide apresentada na figura 6.Observe que o circuito utiliza umTRIAC TIC 206D (Texas) que quan-do acionado energiza a solenide davlvula MUFH-3-FK-3. O aciona-

    mento do TRIAC feito atravs dofotoTRIAC MOC3020 (Texas) quepermite isolar a rede de alta tenso(220 Vef) do circuito TTL (5 volts) doestgio de entrada formado pelo tran-sistor BC548 e o diodo emissor deluz.

    O sinal de comando para o circui-to da figura 9 pode vir, por exemplo,da sada paralela de um microcom-putador PC. Atravs do emprego delinguagens de programao do tipo

    QBASIC, C++, DELPHI, etc.; pos-svel controlar os sinais da sadaparalela de forma a promover a se-qncia de acionamentos dassolenides vlvulas SC1, SC2, SC3,SP

    1, SP

    2, SP

    3, SA

    1, SA

    2, SA

    3, SA

    4,

    SA5, SA6, SA7, SS1 e SS2. No va-mos neste artigo detalhar como sefaz o programa (software) de contro-le da sada paralela do micro-computador PC porque isto algo jamplamente divulgado (Veja, porexemplo, o artigo: Os segredos da

    porta paralela, na pgina 32).

    Por outro lado, o controle auto-matizado dos controladores de fluxo demassa MFC

    1, MFC

    2, MFC

    3, MFC

    4,

    MFC5, MFC6 e MFC7 feito conformeilustrado na figura 10. O bloco 247Ccomercializado pela MKS um estgio

    de leitura/gerador de set-point de qua-tro canais para fixar o fluxo de massaem cada controlador MFC. Note quecomo temos um total de 7 MFCs, sonecessrios 2 estgios 247C inter-conectados entre si (configurao mes-tre/escravo). O bloco 232 de interface,tambm comercializado pela MKS, per-mite enviar os sinais de controle para osestgios 247C atravs da sada RS232do PC. A documentao do bloco 232da MKS j fornece o cdigo fonte deprogramao para controle do fluxo dos

    MFCs. Este cdigo fonte pode serextendido para permitir o controle inte-grado dos MFCs juntamente com assolenides. Veja mais informaes nareferncia 3.

    AGRADECIMENTOS

    FAPESP por ter financiado o pro-jeto e construo do painel de gasesapresentado neste artigo. Aos tcnicosRenato Franzin, Nelson Ordonez, AlexMarkevicius e Alexandre Camponucci

    pelas discusses e construo do pai-nel de gases. Ao Bacharel em FsicaJos C. de Souza Filho pelo projeto ini-cial do software de controle automtico.l

    REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

    1. Dispositivos pneumticos:http://www.festo.com

    2. Dispositivos pneumticos:http://www.festo.com.br

    3. Dispositivos para gases: http:/

    /www.mksinst.com4. Dispositivos para gases: http:/ / f r c o . c o m / b r o o k s / p r o d u c t s / products.html

    5. Conexes para linhas de gases:h t t p : / / w w w . sw age lok . com/ en / Ecatalog/ecmainframes.asp

    6. Conexes para linhas de gases:http://www.bayvalve.com/pages/products.htm

    Sedra, A.S. and Smith, K.C.Microeletrnica. Makron Books, 2000,ISBN 85-346-1044-4 (traduo da 4a.

    edio em ingls).

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    ESPECIAL

    Na vida acadmica e universitria,esse crescimento teve e continua ten-do um reflexo imediato. Milhares depesquisas sobre diversas estratgiasde controle de sistemas, sobre mode-lagem, e sobre aplicaes especficasforam feitas nos ltimos anos em qua-se todas as universidades e centrosde pesquisa no mundo inteiro. Re-vistas especializadas, como a

    International Journal of Control,

    Journal of Dynamic Systems,

    Measurements and Control, IEEE

    Transactions on Automatic Control,

    entre muitas outras, foram surgindo ecrescendo, assim como congressosinternacionais sobre a rea.

    Aqui no Brasil, o estudo de Con-trole de Sistemas comeou sendoimplementado como programas deps-graduao em Engenharia de

    Controle e Engenharia Mecatrnica e

    como diversas matrias obrigatriasnos cursos de graduao, e tambm

    teve seu reflexo no surgimento de pu-blicaes especializadas (Robtica &Automao) e em congressos na-cionais como o Congresso Brasileirode Automtica, organizado pela So-ciedade Brasileira de Automticae re-alizado a cada dois anos. Atualmen-te, diversas universidades do pasesto implementando programas degraduao em Engenharia de Contro-le, tal o caso da PUC-Rio, da UFRJ,da UFSC, da UFES, entre outras.

    A ROBTICA NAA ROBTICA NAA ROBTICA NAA ROBTICA NAA ROBTICA NA

    EDUCAOEDUCAOEDUCAOEDUCAOEDUCAOFernando A. Pazos

    Coordenador do Laboratrio de RobticaInstituto de Tecnologia ORT do Rio de Janeiro

    Na Engenharia moderna, a rea de Robtica, intimamente rela-cionada com a de Automao e Controle de Sistemas, uma reaque cada vez mais vai aumentando seu campo de estudo e aplica-o. Efetivamente, hoje em dia impensvel uma indstria demanufatura que no esteja total ou parcialmente automatizada,mesmo que o nvel de automao consista apenas no controle doponto eletrnico dos funcionrios. possvel observar uma aplica-o da automao industrial em empresas que fabricam produtostotalmente diversos, desde montadoras de carros e outros tipos deindstrias metalrgicas at fbricas de brinquedos, de papel, de

    bebidas, de embalagens, produtoras de alimentos, e inclusiveempresas de servios como bancos, por exemplo. Tal foi o cresci-mento nas ltimas dcadas da automao nas indstrias, e daspesquisas nessa rea, que hoje no exagerado afirmar, por exem-plo, que a Engenharia Eletrnica se divide em trs grandes reas:em Eletrnica Analgica, que inclui processamento de sinais,Tecnologia das Telecomunicaes, Eletrnica de Potncia, etc., emEletrnica Digital, que inclui microeletrnica, microprocessadores,computadores, etc., e em Controle de sistemas, que incluiAutomao e Robtica.

    Figura 1 - Brao mecnico Armdroid.

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    MECATRNICA ATUAL N1/OUTUBRO-NOVEMBRO/200128

    ESPECIAL

    Mas o que est sendo novidade noBrasil, e que j tem alguns anos emoutros pases do mundo, aimplementao de programas de en-sino da Robtica no nvel tcnico e in-clusive no ensino fundamental.

    No nvel tcnico, diversas institui-es esto adotando tais programasnos cursos de Eletrnica, Mecnica eInformtica. Em alguns casos tais pro-gramas visam dar ao aluno uma for-mao especfica adequada para omercado de trabalho, como o casode diversos cursos implementados noSENAI e outras instituies decapacitao tcnica. Em outros casoso objetivo fundamental fornecer aoaluno uma introduo e preparaopara as diversas matrias de controleque fazem parte dos programas degraduao em Engenharia nas univer-sidades. Mas em todos os casos, o

    ensino da Robtica acarreta algumasvantagens pedaggicas que fazem daimplementao de tais programasatrativa inclusive para escolas de 2grau no tcnicas e at para, com osnveis e a orientao adequados, parao ensino fundamental.

    Laboratrios de Robtica espec-ficos para os objetivos do curso po-dem ser implementados, com custosvariveis dependendo da complexida-de dos sistemas, mas que em todosos casos vo decrescendo a cada ano.

    J existem no Brasil empresas

    dedicadas fabricao, importao ecomercializao de robs didticos,alguns de alta sofisticao e outros degrande simplicidade de montagem emanipulao, como podem ser braosmecnicos pequenos, movimentadospor servo-motores, e carros explora-dores com diversos tipos de sensores.Alguns desses sistemas j vem cominterfaces de computador e programasutilitrios especficos muito simples, demaneira de permitir sua utilizao atpara crianas de curta idade. Kits de

    mecanismos como engrenagens, ei-xos, polias, motores, sensores, peasdiversas e sistemas para montar degrande simplicidade tambm j socomercializados. Alm disso, poss-vel montar alguns sistemas mecni-

    cos ou pneumticos de maneira rela-tivamente simples e econmica, e cominterfaces adequadas e computadoresno necessariamente de ltima gera-o possvel implementar um labo-ratrio suficientemente bem equipadopara os objetivos do curso.

    No Instituto de Tecnologia ORT,instituio dedicada ao ensino tcni-co de 2 grau, existe um laboratriode Robtica (figura 2) do qual soucoordenador. Temos ali 8 computado-res, todos equipados com placas de

    interface paralela e conversores A/D;nessas placas esto ligadas interfacesde potncia externas que acionam di-versos sistemas controlados pelo com-putador. Alguns desses sistemas fo-ram adquiridos comercialmente e v-rios foram construdos no prprio la-boratrio, em alguns casos utilizandosucata mecnica e materiais de baixocusto. Podemos mencionar entre es-ses sistemas dois braos mecnicos,um movimentado por servo-motores eoutro por motores de passo (figura 1),

    um elevador de quatro andares (figu-ra 3), um carro explorador equipadocom diversos tipos de sensores e mo-vimentado por dois motores de passo(figura 4), uma mquina automticaque corta peas de isopor pequenas(figura 5), uma seletora de peasacionada por pistes pneumticos, umsistema de viso e um plotter ondeuma caneta movimentada em umplano por um sistema acionado pormotores de passo. Todos os computa-

    dores possuem arquivos com biblio-tecas de comandos especficos parao controle de cada rob realizadas emPascal, que o usurio pode utilizarpara realizar seus prprios programas,alm de programas de teste e de-monstrao. Nesse laboratrio soministradas aulas para os alunos daterceira srie de eletrnica e para aterceira srie de informtica. No casodos alunos da eletrnica, eles estu-dam ali programao, teoria de con-trole, sensores e atuadores, mecanis-

    mos de transmisso de potncia, sis-

    Figura 2 - Laboratrio de Robtica do Instituto de Tecnologia ORT.

    Figura 3 - Elevador de 4 andares.

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    29MECATRNICA ATUAL N1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001

    ESPECIAL

    temas de viso, robs manipuladores,exploradores e mquinas ferramenta,alm de realizarem diversas prticasque incluem a realizao de progra-mas de controle dos sistemas do la-boratrio. Os alunos de informticarecebem aulas que visam fornecer in-

    formao sobre a programao de sis-temas, conceitualmente diferente darealizao de programas comerciais.Alm disso, cursos livres e abertos sooferecidos regularmente orientados aprofissionais e estudantes de Enge-nharia e de reas tcnicas em geral.

    Podemos mencionar entre as van-tagens do ensino da Robtica a inter-relao entre diversas reas da cin-cia que se anam nessa rea, e aaplicao prtica, com suas conse-qentes vantagens pedaggicas, queo aluno faz de tais conhecimentos.Dentre as reas que o aluno aprendee aplica em um laboratrio deRobtica podemos destacar:

    Fsica: onde podem ser estudadose aplicados alguns conceitos da fsicamecnica tais como fora, torque, ve-locidade, acelerao, e mquinas sim-ples como polias, alavancas, entre ou-tras, necessrios para o clculo e pro-

    jeto de caixas de reduo, especifi-cao dos motores adequados, proje-

    tos de transmisses mecnicas, entreoutras aplicaes. Tambm, dependen-do dos sistemas disponveis no labora-trio, conceitos de hidrulica, pneum-tica e termodinmica podem ser estu-dados e aplicados. Em casos maisavanados podem ser estudados e ana-lisados os modelos cinemtico e din-mico de sistemas tais como robsmanipuladores ou veculos explorado-res controlados, assim como cine-mtica e dinmica de corpos rgidosnecessrias para o clculo dos par-

    metros fsicos dos elos do rob.

    Eletrnica: onde podem ser es-tudadas, projetadas e armadas asdiversas interfaces de computadornecessrias para controlar um sis-tema, projeto de drivers digitais eamplificadores para os diversos

    atuadores, interfaces de trans-dutores e dispositivos de instrume-tao, placas de aquisio de dados,conversores analgicodigital e di-gitalanalgico, e at projeto de con-troladores implementados commicroprocessadores e microcontro-ladores especficos.

    Informtica: necessria para aimplementao dos programas decontrole. As linguagens utilizadas po-dem ser variadas, dependendo do la-boratrio e dos objetivos do curso.

    Podem ser utilizadas as linguagenstradicionais como C ou Pascal, combibliotecas de comandos especficaspara o controle dos dispositivos do sis-tema. Podem ser implementados tam-bm programas mais avanados,como programas residentes e progra-mao das interfaces e do relgio docomputador. No caso que o projetoinclua o controlador implementadocom um microprocessador oumicrocontrolador, os programas decontrole podem ser editados em

    Assembly. No caso de serem utiliza-dos controladores especficos comoum Controlador Lgico Programvel,a linguagem prpria como pode ser aladder deve ser estudada. No casodo laboratrio estar orientado scrianas, programas utilitrios sim-ples, ou linguagens de programaoespecficas em portugus e simpli-ficadas podem constituir uma atra-ente introduo computao paraos alunos.

    temas de equaes, necessrios paraa modelagem dinmica dos sistemase projeto e clculo das leis de contro-le, podem ser estudados e aplicados.

    Conceitos prprios de teoria deControle: como ser estudo e classifi-

    cao de sistemas, excitao e res-posta, controladores, modelagem desistemas fsicos, transferncia, reali-mentao, sensores, atuadores e ou-tros dispositivos utilizados emautomao, e diversas estratgias decontrole, com a profundidade e alcan-ce segundo os objetivos do curso.

    No caso do ensino tcnico, diver-sas prticas aplicando muitos dessesconhecimentos podem ser implemen-tadas em um determinado sistema delaboratrio. Por exemplo, o aluno pode

    armar um rob manipulador de ape-nas uma junta. Para isso deve realizarum clculo da velocidade e torqueadequados para movimentar o elo domanipulador, escolher um motor e pro-

    jetar uma caixa de reduo de engre-nagens, armar o rob com um kit depeas adequadas, ligar o motor e umsensor de posio a uma interface decomputador especfica, e realizar umprograma de controle simples do dis-positivo.

    No caso do ensino fundamental, o

    aprendizado dos conceitos bsicos decomputao em geral e at de progra-mao (utilizando um programa utili-trio didtico ou uma linguagem es-pecfica simples), pedagogicamen-te vantajoso se o aluno usa ou cria umprograma para ver um sistema, comopode ser um carrinho ou a famosa tar-taruga do logo, se movimentar damaneira desejada, que simplesmentepara observar um resultado impressona tela.

    A quantidade e diversidade de con-ceitos tericos e tipo de prticas quepodem ser realizadas aplicando essesconceitos, nos diversos nveiseducativos e com os diversos objeti-vos didticos, pode ser enorme. O alu-no se v na necessidade de racioci-nar lgica e metodicamente para re-solver problemas especficos utilizan-do as ferramentas adequadas, tantoconceituais como de materiais dispo-nveis, com bvias vantagens pedag-gicas. O nico limite a imaginao

    dos professores e alunos.l

    Matemtica: em casos mais avan-ados, conceitos de lgebra linear,

    clculo diferencial, e resoluo de sis-

    Figura 5 - Mquina cortadorade isopor.

    Figura 4 - Carro automatizado.

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    MECNICA

    MECATRNICA ATUAL N1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001

    As polias e as engrenagens sorodas utilizadas na transmisso domovimento circular. So constitudaspor uma coroa, em cubo de roda eem conjunto de braos ou disco,cuja funo ligar rigidamente acoroa ao cubo de roda. A figura 1 mos-tra algumas representaes de poliase engrenagens.

    Inseridas num mecanismo essasrodas transmitem o movimento circu-lar atravs de uma correia ou pelocontato direto entre coroas enquantoque seus cubos de roda ficam

    acopladas a eixos (figura 2).

    POLIAS EPOLIAS EPOLIAS EPOLIAS EPOLIAS E

    ENGRENAGENSENGRENAGENSENGRENAGENSENGRENAGENSENGRENAGENS

    Em muitos projetos prticos de Mecatrnica, o movimento ne-

    cessrio para o acionamento de um mecanismo obtido a partirde um motor eltrico. A freqncia de rotao desse motor no ,na maioria das vezes, a que se necessita para o correto funciona-mento do mecanismo. Para corrigir esse problema so utilizadosconjuntos formados por polias e engrenagens que so capazes demodificar a freqncia motora atendendo assim s necessidadesoperacionais do mecanismo.

    Figura 1 - Representaes de polias e engrenagem.

    Quando se transmite o movimentocircular utilizando um par de rodas, aroda que origina o movimento cha-mado de roda motora enquanto quechamamos de roda movida, a rodaque capta esse movimento. Normal-mente a roda motora tem seu cubo deroda conectado ao eixo de um motor(figura 3).

    MOVIMENTO CIRCULARUNIFORME (M.C.U)

    Para compreender melhor como se

    d a transmisso do movimento cir-

    Figura 2 - Formas de transmisso dosmovimentos.

    cular no acoplamento de polias ouengrenagens, necessrio revisaralguns conceitos fsicos.

    Considere uma partcula movendo-se em trajetria circular de raio r , com

    velocidade escalar v constante

    Eduardo de Pinho Prado

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    31MECATRNICA ATUAL N1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001

    MECNICA

    Figura 3 - Roda motora e roda movida.

    Figura 4 - Variveis do movimento circularuniforme (M.C.U.).

    (M.C.U). O intervalo de tempo neces-srio para completar uma volta cons-tante e chamado de perodo derotao (T).

    Para esse movimento chamamosde freqncia (f) a quantidade de vol-tas executadas em determinada uni-dade de tempo. As unidades usuaisde freqncia so o Hz (hertz) quesignifica rotaes por segundo e or.p.m cujo significado rotaespor minuto.

    A seguir so apresentadas algu-

    mas relaes entre as grandezas en-volvidas no estudo do movimento cir-cular uniforme:

    Como o dimetro de uma roda odobro de seu raio, a relao entre asfreqncias de rotao f1 e f2 tambmpode ser dada por:

    Figura 5 - Velocidades escalares das coroas.

    Para os acoplamentos por correiaou por contato, as velocidadesescalares das coroas das rodasassociadas so iguais. No caso doacoplamento por correia as velocida-des escalares das coroas correspon-dem a prpria velocidade da correia(figura 5).

    Figura 6 - Relao entre as freqncias derotao. Figura 7 - Acoplamento sobre o mesmo eixo.

    TRANSMISSO DO M.C.U

    Ao acoplar polias objetivo principal a obteno de uma freqncia derotao na polia movida diferente da-

    quela tida na polia motora.

    v1: velocidade escalar na coroa da

    roda (1);v2: velocidade escalar na coroa da

    roda (2);vc: velocidade escalar na correia.Considere o acoplamento de duas

    rodas (1) e (2) de raios respectivamen-te iguais a r1 e r 2. A roda (1) gira comfreqncia f1.

    Podemos determinar a freqnciade rotao f2da roda (2) partir da

    igualdade das velocidades escalaresdas coroas dessas rodas (figura 6).

    D1: dimetro da roda (1);D2: dimetro da roda (2).Considere agora duas engrena-

    gens (1) e (2) sendo n1 e n2 as quan-

    tidades de dentes nas coroas dessasengrenagens. Se T1eT2 so os pero-dos de rotao das rotas (1) e (2), asvelocidades escalares v1 e v2 de suascoroas podem ser dadas por:

    com v1 e v2 medidas, por exemplo,em "dentes/s" ou "dentes/min"

    Igualando essas velocidades esca-lares temos:

    e

    Existe ainda uma outra possibilida-de de acoplamento, que consiste emmontar duas rodas sobre um mesmoeixo de rotao. Nesse caso as fre-qncias de rotao so iguais.

    l

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    MECATRNICA ATUAL N 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/200132

    HARDWARE

    OS SEGREDOS DA POROS SEGREDOS DA POROS SEGREDOS DA POROS SEGREDOS DA POROS SEGREDOS DA PORTTTTTAAAAA

    PPPPPARALELAARALELAARALELAARALELAARALELA

    Newton C. Braga

    Os computadores pessoais do tipoPC (IBM e compatveis) se comunicamcom o mundo exterior por meio deportas. Exatamente como o nomeindica, por elas podem entrar e sairsinais que o computador utiliza tantopara sentir o que se passa fora delecomo para comandar dispositivosque no estejam no seu interior.

    As duas principais que encontra-

    mos no computador so as Seriais, asParalelas e agora as USB (UniversalSerial Bus).

    As portas seriais, como o nomesugere, recebem e enviam sinais emseqncia, como por exemplo, no con-trole do teclado ou de um mouse.

    Na figura 1 mostramos que, nes-tas portas, os bits precisam serenfileirados e enviados um a umnuma seqncia por meio de fioscondutores.

    Circuitos especiais no interior do

    computador e no interior do dispositi-

    Como utilizar o seu computador (PC) para controlar um bra-o mecnico, um rob ou receber mensagens do mundo exteri-or como sensores, olhos eletrnicos, etc.? Se o leitor desejapraticar Mecatrnica usando o PC deve saber como fazer ointerfaceamento correto. Isso implica em conhecer os tipos desinais que o computador pode enviar ou receber e de que modopodemos fazer os circuitos de interfaceamento para esta finali-dade. Neste artigo vamos mostrar como tudo isso pode ser fei-to, lanando assim as bases que o leitor precisa para novos efantsticos projetos.

    vo que se comunica por este tipo deporta fazem a decodificao destessinais, levando-os a uma forma maisprpria para uso de processadores.

    Na figura 2 mostramos de uma for-ma mais simples o que ocorre no en-vio destes sinais.

    Os bytes que devem ser e