Princípios de Mecatrônica - João Maurício Rosário

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<p>JOÃO MAURÍCIO ROSÁRIO PRINCIPIOS DE MECATRONICA PEARSON</p><p>JOÃO MAURÍCIO ROSÁRIO PRINCÍPIOS DE MECATRONICA Website Companion 621:681.3 Website 505-010-2 R789p Site com material de R.834/2006 tice apolo para professores e ex.10 Hall 050100</p><p>PRINCÍPIOS DE MECATRÔNICA PR mundo dos robôs exerce enorme fascínio sobre nós. Isso pode ser comprovado pela enorme quantidade de filmes e livros de sucesso que desde muito tratam do assunto e alimentam sonhos de um futuro que parecia muito distante. Parecia porque atualmente percebemos a realidade fantástica exposta nesses produtos culturais cada vez mais próxima de nós. Hoje, já podemos ver esses 'seres' à frente de linhas de produção inteiras, apoiando as áreas de automação industrial, biocibernética e domótica. Essa aproximação entre o fantástico e o real fica clara quando constatamos o fortalecimento da mecatrônica nos últimos anos. Motivada pelo desafio da modernização das estruturas de produção e da reestruturação dos processos de gestão, que incentiva binômio inovação tecnológica/competitividade, a mecatrônica cresceu vertiginosamente, deixando de ser uma área de especialização restrita para se tornar uma disciplina bastante procurada. Daí a importância deste livro. Desenvolvido para suprir as necessidades tanto profissionais quanto acadêmicas de um mercado que, por ser incipiente, ainda carece de literatura nacional, Princípios de mecatrônica aborda aspectos práticos e teóricos - principalmente da área de automação da manufatura de maneira objetiva e didática, lançando mão de ilustrações, fotos e figuras que tornam aprendizado produtivo e saboroso. Assim, bem-vindo ao mundo dos robôs! Bem-vindo ao futuro!</p><p>PRINCÍPIOS DE MECATRONICA SENAI - DR - - Pearson Education CIDAD</p><p>JO, PR MI</p><p>JOÃO MAURÍCIO ROSÁRIO PRINCÍPIOS DE MECATRONICA SENAI - DR - AM / NIT PEARSON Prentice Hall São Paulo Brasil Argentina Colômbia Costa Rica Chile Espanha Guatemala México Peru Porto Rico Venezuela</p><p>2005 by Maurício Rosário SUMÁRI Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio, eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão Prefácio de informação, sem prévia autorização, por escrito, da Pearson Education do Introdução Diretor editorial: José Martins Braga Gerente editorial: Roger Trimer Gerente de produção: Heber Lisboa PARTE 1 CONCEITO Editora de desenvolvimento: Sabrina Cairo CAPÍTULO 1 INTR Editora de texto: Patrícia Carla Rodrigues 1.1 Introdução 2 1 Preparação: Cláudia Cantarin mecatrônico 5 1.4 Revisão: Thelma e Regina E. Barbosa ceitos básicos de Capa: Marcelo Françozo ficas 11 Foto de capa: Stock Photos Produções Ltda. Fotos internas: André Klotz e Ricardo Zinner CAPÍTULO 2 CON Eduardo Borges 2.1 Introdução 14 2 Editoração eletrônica: Figurativa Arte e Projeto Editorial mas mecânicos ativos 27 CAPÍTULO 3 INTE Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) 3.1 Introdução 29 (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) tomatizados - conceitos internacional IEC Rosário, Maurício Grafcet 42 3.9 Reg Princípios de mecatrônica / João Maurício -- São Paulo : Prentice Hall, 2005. CAPÍTULO 4 SENS 4.1 Introdução 55 Bibliografia. transdutores 58 4.4 73 4.6 Sensores para ISBN 85-7605-010-2 80 4.8 Termopares da variável de pressão E 1. Engenharia industrial 2. Mecatrônica posicionamento 85 3. Processos industriais - Automação 4. Robótica Conclusão 92 Re I. CAPÍTULO 5 MOI 5.1 Introdução 94 5 dores utilizados em sistem 04-6108 CDD-629.89 controle em malha aberta de acionamento 105 Índices para catálogo CAPÍTULO 6 CON 1. Mecatrônica : Engenharia industrial 629.89 6.1 Introdução 121 nica embarcada 125 controlador PID 131 PARTE 2 ROBÓTICA 2005 Direitos exclusivos para a língua portuguesa cedidos à CAPÍTULO 7 INTR Pearson Education do Brasil, 7.1 Introdução 142 uma empresa do grupo Pearson Education industriais 145 7.4 Av. Ermano Marchetti, 1435 robô 148 7.6 Princi CEP: 05038-001 Lapa São Paulo SP, Brasil gráficas 152 Tel.: Fax: (11) 3611-0444 e-mail: vendas@pearsoned.com</p><p>SENAI DR SUMÁRIO ção ransmissão Prefácio vii do Brasil. Introdução ix PARTE 1 CONCEITOS E TECNOLOGIAS BÁSICOS ASSOCIADOS À MECATRÔNICA 1 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO À MECATRÔNICA 1 Introdução 2 1.2 A mecatrônica no contexto da automação 3 1.3 Sistema biológico versus sistema mecatrônico 5 1.4 Mecatrônica: definições básicas 5 1.5 A formação em mecatrônica 8 1.6 Con- ceitos básicos de mecatrônica 9 1.7 Níveis de automação 10 Conclusão 11 Referências ficas 11 CAPÍTULO 2 CONCEPÇÃO DE SISTEMAS MECATRÔNICOS 13 2.1 Introdução 14 2.2 Sistemas mecânicos passivos 14 2.3 Sistemas mecânicos ativos 17 2.4 Siste- mas mecânicos ativos com realimentação elétrica: sistemas mecatrônicos 20 Conclusão 26 Referências 27 CAPÍTULO 3 INTEGRAÇÃO DE SISTEMAS AUTOMATIZADOS 28 3.1 Introdução 29 3.2 Sistemas produtivos 29 3.3 A automação no Brasil 30 3.4 Sistemas au- tomatizados conceitos e definições 30 3.5 Elementos de um sistema automatizado 34 3.6 Norma internacional IEC 61131-3 38 3.7 Grafo de comando etapa e transição (Grafcet) 41 3.8 Elementos do Grafcet 42 3.9 Regras de evolução do Grafcet 48 Conclusão 52 Referências 52 CAPÍTULO 4 SENSORES INDUSTRIAIS 55 4.1 Introdução 55 4.2 Critérios para a especificação de sensores 57 4.3 Sensores utilizados como transdutores 58 4.4 Sensores de proximidade 63 4.5 Detecção de erro em sistemas automatizados 73 4.6 Sensores para medida de posição e velocidade 74 4.7 Sensores para medida de força e pressão 80 4.8 Termopares 81 Pontes extensométricas (strain gauges) 81 4.10 Sensores para medida da variável de pressão 83 4.11 Sensores para medida de aceleração 84 4.12 Sensores de orientação e posicionamento 85 4.13 Utilização de sensores em robótica 87 4.14 Sensores de uso educacional 88 Conclusão 92 Referências 92 5 MODELAGEM DE SISTEMAS MECATRÔNICOS 93 5.1 Introdução 94 5.2 Ferramentas para modelagem de sistemas mecatrônicos 94 5.3 Descrição de atua- dores utilizados em sistemas mecatrônicos 95 5.4 Sistema de transmissão mecânica 98 5.5 Sistemas de 9.89 controle em malha aberta 102 5.6 Sistemas de controle em malha fechada 103 5.7 Modelagem de sistemas de acionamento 105 5.8 Exemplos práticos 112 Conclusão 118 Referências 119 CAPÍTULO 6 CONCEITOS BÁSICOS DE ELETRÔNICA RECONFIGURÁVEL 120 6.1 Introdução 121 6.2 Computação reconfigurável 121 6.3 Ambientes para implementação de eletrô- nica embarcada 125 6.4 de controlador proporcional (P) 127 6.5 Implementação de um controlador PID 131 Conclusão 136 Referências 138 PARTE 2 ROBÓTICA INDUSTRIAL 141 CAPÍTULO 7 INTRODUÇÃO À ROBÓTICA INDUSTRIAL 141 7.1 Introdução 142 7.2 Histórico 142 7.3 Fatores que beneficiaram desenvolvimento dos robôs industriais 145 7.4 Vantagens e desvantagens da robótica industrial 145 7.5 Conceitos básicos de um robô 148 7.6 Principais aplicações dos robôs industriais 150 Conclusão 151 Referências biblio- gráficas 152</p><p>vi Sumário CAPÍTULO 8 ASPECTOS CONSTRUTIVOS DE MANIPULADORES ROBÓTICOS 154 PREF 8.1 Introdução 154 8.2 Robôs industriais 154 8.3 Classificação 157 8.4 Sensores 163 8.5 Acionamento e controle de robôs 164 8.6 Programação de robôs 169 8.7 Precisão e capacidade de repetição 169 8.8 Garras e ferramentas 169 Conclusão 151 Referências 174 CAPÍTULO 9 PROGRAMAÇÃO DE ROBÔS INDUSTRIAIS 175 A 9.1 Introdução 176 9.2 Estrutura de controle de um robô industrial 176 9.3 Programação de tarefas em de uma geração de e robôs industriais 176 9.4 Métodos de programação de robôs industriais 182 9.5 Linguagem de progra- vida própria à medio mação de robôs 186 9.6 Programação off-line de robôs industriais 191 Conclusão 194 Referências o aumento de produ 195 cânica e eletricidade, CAPÍTULO 10 MODELAGEM CINEMÁTICA DE ROBÔS 196 inovadores. A palavi 10.3 Modelo 199 10.4 Exemplos seu espaço mundo a: 10.1 Introdução 197 10.2 Sistemas de referência 198 de aplicação 201 10.5 Cálculo da matriz de transformação de coordenadas pelo método de Denavit-Hartenberg nheiro eletricista, esp 202 10.6 Cálculo da matriz de transformação de coordenadas utilizando vetores locais 205 10.7 Descrição que recebe sinais de da matriz de orientação por meio de ângulos 212 Modelo cinemático inverso 214 10.9 Obtenção o conhecimento do do modelo cinemático pela matriz jacobiana 216 10.10 Exemplos de aplicação 218 Conclusão 224 flexibilidade e as con Referências 224 do engenheiro de CAPÍTULO 11 GERAÇÃO DE TRAJETÓRIAS E CONTROLE que todos esses DE MOVIMENTOS DE UM ROBÔ 226 nos preocupamos se 11.1 Introdução 227 11.2 Programação de tarefas de robôs 228 11.3 Proposta de algoritmo numérico para montados em uma in a geração de trajetórias 228 11.4 Implementação algoritmo 230 11.5 Discretização do caminho 232 A maioria de m 11.6 Exemplos de simulação 236 11.7 Interpolação e filtragem de pontos de passagem no espaço das surgimento de juntas 237 Conclusão 254 Referências 255 estimulados a gradu CAPÍTULO 12 MODELAGEM DINÂMICA E CONTROLE DE MANIPULADORES novos conhecimento ROBÓTICOS 256 e construído no país Maurício Rosário fo 12.1 Introdução 257 12.2 Equações dinâmicas de um robô 257 12.3 Exemplo de aplicação com pêndulo duplo 260 12.4 Projeto de um controlador PID 261 12.5 Exemplos de implementação de controlado- desde sua primeira res PID 269 12.6 Implementação do sistema de controle de uma junta 272 12.7 Implementação do projetos e muitas ide controlador 275 Conclusão 279 Referências bibliográficas 279 dêmico como pesqui deste livro, garantino PARTE 3 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 282 em um, de interesse CAPÍTULO 13 CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS INDUSTRIAIS 282 cas da Alemanha, o 13.1 Introdução 283 13.2 Descrição 283 13.3 Princípio de funcionamento 284 13.4 Arquitetura manipuladores em á 284 13.5 Linguagem de programação 286 Conclusão 292 Referências 292 natal (cabeça de volvemos para uma CAPÍTULO 14 SISTEMAS DE SUPERVISÃO EM AUTOMAÇÃO 293 ficava posicionada r 14.1 Introdução 294 14.2 Sistemas de supervisão 294 14.3 Sistema SCADA 295 14.4 Principaisca- portanto. Mas sua racterísticas de um sistema SCADA 296 14.5 Sistema de supervisão industrial 300 14.6 Principais funcio- nalidades de um sistema de supervisão industrial 303 Conclusão 313 Referências 313 projetos que desenvo de constatá-lo em pe CAPÍTULO 15 REDES DE COMUNICAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL: membro das bancas APLICAÇÕES DO FIELDBUS 315 Por experiência 15.1 Introdução 316 15.2 Sistemas concentrados e distribuídos 317 15.3 Conceitos básicos de redes acho que é de comunicação em automação 317 15.4 Estações de monitoramento SCADA 323 15.5 Aplicações de iniciativa. Principalm redes de comunicação 327 15.6 Tecnologias de comando 330 15.7 Redes de comunicação seus projetos no amb 332 15.8 Exemplo de aplicação 339 Conclusão 347 Referências 347 diversas modalidade Conclusão 349 mação industrial, os sobre a eletrônica en Terminologia básica usada no texto 350 movimento dos robô Trata-se de um te Índice 351 (ou mesmo de</p><p>ROBÓTICOS 154 PREFÁCIO 57 8.4 Sensores 163 8.7 Precisão e capacidade ências 174 175 A mecatrônica é uma das áreas recentes da engenharia foi criada ao longo da vida profissional 3 Programação de tarefas em de uma geração de engenheiros que ainda está ativa é interdisciplinar por natureza e adquiriu 9.5 Linguagem de progra- vida própria à medida que a automação industrial começou a ser difundida como uma solução para clusão 194 Referências o aumento de produtividade. Integrando conhecimentos de diversas áreas tradicionais, como me- cânica e eletricidade, e associando-os à computação, ela prima por ser rica em aspectos tecnológicos 196 inovadores. A palavra surgiu originalmente no Japão e foi, aos poucos, encontrando seu espaço mundo afora, abrigando-se no programa curricular de muitas universidades. Ao enge- ico 199 10.4 Exemplos étodo de Denavit-Hartenberg nheiro eletricista, especialmente o eletrônico, com a visão voltada para a placa de circuito impresso, his 205 10.7 Descrição que recebe sinais de sensores e comanda atuadores, associa-se o mecânico quando é necessário 214 10.9 Obtenção o conhecimento do movimento de corpos no espaço e da resistência estrutural do sistema, sua 218 Conclusão 224 flexibilidade e as conseqüentes vibrações. A linguagem comum entre esses componentes é campo do engenheiro de computação e, finalmente, o resultado de toda essa soma é a vida moderna, em que todos esses novos dispositivos já estão incorporados ao dia-a-dia e não 226 nos preocupamos se eles são produzidos com componentes oriundos dos mais diversos países e ta de algoritmo numérico para montados em uma indústria quase totalmente automatizada. cretização do caminho 232 A maioria de meus alunos pertence a uma geração formada quase simultaneamente ao de passagem no espaço das surgimento de tédas essas novidades. Caso quisessem seguir a carreira acadêmica, eles eram estimulados a graduar-se no exterior e, voltando ao Brasil, ocupar seu espaço no país com esses novos conhecimentos. Encerrada a fase em que se acreditava que tudo deveria ser desenvolvido PULADORES e construído no país, havia uma porta imensa que levava a novas aplicações e soluções. João 256 Maurício Rosário foi meu aluno na graduação na Unicamp e tenho acompanhado seus passos de aplicação com pêndulo plementação de controlado- desde sua primeira iniciação científica. Ele tem grande capacidade criativa e de inovação em 12.7 Implementação do projetos e muitas idéias, cativa alunos e cria tecnologia sem descuidar-se do seu currículo aca- dêmico como pesquisador. Desenvolveu muitos projetos, que justificam a diversidade de tópicos deste livro, garantindo-lhe, em sua maioria, experiência real. Em dois deles trabalhamos juntos: 282 em um, de interesse da Petrobras e realizado em parceira com o Centro de Pesquisas Tecnológi- 282 cas da Alemanha, o GKSS, em Geestacht, construímos a maquete de uma operação com robôs e 284 13.4 Arquitetura manipuladores em águas profundas visando ao acionamento das conexões em uma árvore de 292 natal (cabeça de poço de petróleo); em outro, com o apoio da TV Cultura de São Paulo, desen- volvemos para uma mesa de entrevistas (redonda) o acionamento de uma câmera de TV que 293 ficava posicionada no centro dela e era comandada remotamente. Dois projetos de robótica, 295 14.4 Principais ca- portanto. Mas sua competência em automação industrial também é incontestável pelos muitos 0 14.6 Principais funcio- projetos que desenvolveu, incluindo muitas vezes a parceria com a França. Tive oportunidade 313 de constatá-lo em pesquisas realizadas em domótica e automação quando era convidado a ser DUSTRIAL: membro das bancas que julgava. 315 Por experiência própria sei da dificuldade que é colocar um livro no mercado brasileiro. Mas Conceitos básicos de redes acho que é extremamente importante dar condições aos nossos pesquisadores e apoiá-los nessa 323 15.5 Aplicações de iniciativa. Principalmente quando o texto tem a ver com a experiência do autor na realização de de comunicação seus projetos no ambiente brasileiro. O livro apresenta em 16 capítulos a definição da área, as ográficas 347 diversas modalidades de sistemas mecatrônicos, as premissas no estudo de aplicações em auto- mação industrial, os sensores mais usuais, a base matemática para a modelagem, considerações 349 sobre a eletrônica envolvida, a robótica industrial, os manipuladores, o estudo e o controle de 350 movimento dos robôs e as aplicações em automação industrial. 351 Trata-se de um texto que conjuga a possibilidade de ser usado em um curso de graduação (ou mesmo de com a de ser útil para um engenheiro já atuante nessa área que</p><p>viii Prefácio procure rever um conceito ou verificar como se encadeiam as diversas noções necessárias para o entendimento de uma situação concreta. INTRODU Hans Ingo Weber Professor Titular da Unicamp e da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro Nos últimos anos eletrônicos são cada vez m Associados diretamente computação também se d de computadores mais po que por sua vez exigem O desenvolvimento baixo custo de microproc positivos eletrônicos também em automóveis, sistemas mecânicos tamb capacidade de custos de implementação Tudo isso vem e, com a crescente utiliza nicos e circuitos de contr - que pode ser definida e computação - vem ga sistemas mecânicos, a rec com elevado grau de flex Além disso, os conceitos como na automação Este livro enfoca a me alguns exemplos de aplic no curso de engenharia d autor participou intensiv ao leitor tanto uma intro pretende que seja uma ol a complexidade inerente Os capítulos introdu profissional, enquantoos ser muito úteis para alun da área, todo o conteúdo maneira de ampliar hori O livro é composto d o nível de conhecimento Parte I Compr tecnologias de ba contexto da auto: DR / tos científicos e P Registro: 834 ex. de empresas, ao visando ao aume Data: Origem: Valor: R$ Capítulo 2 são de com NUCLEO DE INFORMAÇÃO TECNOLÓGICA tomação e</p><p>noções necessárias para INTRODUÇÃO Nos últimos anos o mundo vem presenciando enormes avanços na microeletrônica; os circuitos Rio de Janeiro eletrônicos são cada vez mais rápidos e eficientes, com redução significativa de dimensões e custos. Associados diretamente à microeletrônica, os sistemas microprocessados digitais e a ciência da computação também se desenvolvem rapidamente, num círculo virtuoso com o desenvolvimento de computadores mais poderosos com capacidade de implementação de aplicações mais complexas, que por sua vez exigem cada vez mais capacidade computacional. desenvolvimento dos circuitos integrados possibilitou a produção em larga escala e com baixo custo de microprocessadores dedicados conhecidos como microcontroladores. Hoje, esses dis- positivos eletrônicos estão presentes não apenas em máquinas e equipamentos industriais, mas também em automóveis, máquinas de lavar, sistemas de an condicionado, videocassetes etc. Os sistemas mecânicos também sofreram profundas modificações conceituais com a incorporação da capacidade de processamento com isso, tornaram-se mais rápidos, eficientes e confiáveis, com custos de implementação cada vez menores. Tudo isso vem causando uma revolução tecnológica na engenharia e na sociedade em geral, e, com a crescente utilização de componentes eletrônicos (como sensores, atuadores nicos de controle) no acionamento e no controle de sistemas mecânicos, a mecatrônica que pode ser definida como a integração de conhecimentos nas áreas de mecânica, eletrônica e computação vem ganhando destaque, pois essa combinação possibilita a simplificação dos sistemas mecânicos, a redução de custos e do tempo de desenvolvimento e a obtenção de produtos com elevado grau de flexibilidade e capacidade de adaptação a diferentes condições de operação. Além disso, os conceitos de mecatrônica podem ser empregados numa vasta gama de aplicações, como na automação industrial, na biocibernética, na domótica etc. Este livro enfoca a mecatrônica com ênfase na automação da manufatura, mas também apresenta alguns exemplos de aplicação relativos às áreas de domótica e biocibernética, que é o foco ad lotado no curso de engenharia de controle e automação da Unicamp, de cujo processo de implementação o autor participou intensiva e efetivamente. Seu principal objetivo ao elaborar este livro foi fornecer ao leitor tanto uma introdução ao assunto como um complemento à formação profissional. Não se pretende que seja uma obra completa na área, o que, aliás, seria impossível, dadas a diversidade e a complexidade inerentes a uma abordagem detalhada de todos os temas aqui contemplados. Os capítulos introdutórios e de revisão poderão ser usados nos primeiros anos de formação profissional, enquanto os capítulos mais avançados, com aplicações direcionadas à indústria, podem ser muito úteis para alunos que se encontram no final do curso de engenharia. Para os profissionais da área, todo o conteúdo pode se constituir em complemento à sua formação e também em uma maneira de ampliar horizontes e perspectivas futuras. livro é composto de partes distintas e interdependentes, que podem ser utilizadas segundo o nível de conhecimento e o interesse do leitor, estando assim dispostas: Parte I Compreende os capítulos 1 a 6, em que são abordados os conceitos básicos e as tecnologias de base relacionadas à mecatrônica. Capítulo 1 apresenta a mecatrônica, no contexto da automação industrial, como uma ciência aplicada baseada em conhecimen- tos científicos e práticos que é fundamental para o desenvolvimento a de empresas, ao elevar a atividade humana a níveis mais condizentes com sua condição, visando ao aumento da qualidade dos produtos e à redução de custos de produção. No Capítulo 2 são descritas as características básicas dos sistemas mecânicos passivos.e ativos com realimentação mecânica e, no Capítulo 3, são apresentados os conceitos básicos de au- tomação e ferramentas para a descrição de sistemas automatizados, com ênfase na utilização</p><p>Introdução do Grafcet como ferramenta de base para a estruturação e o monitoramento de qualquer processo produtivo. O Capítulo 4 aborda a caracterização geral dos sensores, assim como CAPÍTULO sua inserção nos sistemas de medição e aquisição de dados, e o Capítulo 5 discorre sobre atuadores industriais e sistemas de acionamento e controle, com ênfase na modelagem e no controle de motores de corrente contínua, largamente utilizados na robótica industrial. No Capítulo 6 são descritos os principais circuitos digitais para monitoramento e controle de sistemas automatizados, com a utilização de EPLDs e programação VHDL. Parte II Compreende os capítulos 7 a 12, que abordam a robótica industrial, com o es- tabelecimento da sua evolução ao longo do tempo e o estudo dos principais conceitos que permitem a análise cinemática e dinâmica dos robôs manipuladores, bem como de sua estrutura de controle. Neste contexto são apresentados conceitos básicos relacionados à programação off-line de robôs, como no Capítulo 7, em que são abordados aspectos histó- ricos, vantagens e desvantagens, custos, impacto social e conceitos básicos e constituintes de um robô. No Capítulo 8, é realizada uma análise da utilização de robôs industriais, em face do número de graus de liberdade, do tipo de junta, da geometria, da forma de aciona- mento e controle, da programação, precisão e capacidade de repetição e dos tipos de garra e ferramenta. O Capítulo 9 trata das formas de programação de robôs industriais por meio da apresentação de vários exemplos com o emprego de robôs industriais. Nos capítulos 10, 11 e 12, são apresentados aspectos referentes à modelagem cinemática direta e inversa de manipuladores robóticos, a algoritmos para a geração de trajetórias em relação às juntas e ferramenta de trabalho e ainda à modelagem dinâmica e ao projeto do sistema de controle, com a descrição de várias aplicações práticas implementadas. Parte III Compreende os capítulos 13 a 15, que contemplam as aplicações industriais na área de automação industrial, com a análise de uma linha de produção não só como elemento mecânico ativo que deve realizar tarefas específicas, mas também como elemento computacional inserido numa rede informática industrial que interage com os outros dis- positivos. É apresentado e analisado um conjunto de aplicações industriais reais, a fim de evidenciar alguns dos conceitos e componentes abordados nos capítulos iniciais do livro. Nesse contexto, no Capítulo 13 estuda-se detalhadamente o controlador programável, con- siderado elemento fundamental para o controle e o monitoramento de qualquer processo produtivo; é apresentada, ainda, uma linguagem básica para sua programação. O Capítulo 14 é constituído pelos conceitos gerais de sistemas do tipo SCADA, com ênfase em exem- plos práticos de utilização de um sistema de supervisão industrial, e o Capítulo 15, pelos conceitos básicos de redes de comunicação em automação, com destaque para a utilização de redes Fieldbus. Princípios de mecatrônica, embora concentrado nas tecnologias básicas da automação industrial, apresenta- no contexto de um sistema produtivo do futuro, em que os componentes não são meros dispositivos isolados, mas apresentam alguma comunicam-se entre si e estão inseri- dos em um contexto mais vasto denominado do futuro'. Assim, este livro é voltado para a formação em engenharia de controle e automação, por meio da análise e do projeto de sistemas de controle industriais, de maneira aplicada e com direcionamento para a formação industrial, tendo como principal objetivo a criação de uma literatura de referência na área de mecatrônica. Como material complementar, o livro traz um site de apoio especial (www.prenhall.com/ rosario_br), com exercícios para os estudantes e manual de soluções e apresentações em Power- Point para os professores.</p><p>SENAI DR ramento de qualquer Parte 1 CAPÍTULO sensores, assim como 5 discorre sobre Conceitos e Tecnologias Básicos fase na modelagem e Associados à Mecatrônica na robótica industrial. itoramento e controle VHDL. industrial, com o es- incipais conceitos que es, bem como de sua ásicos relacionados à INTRODUÇÃO À dados aspectos histó- básicos e constituintes MECATRÔNICA robôs industriais, em a, da forma de aciona- io e dos tipos de garra S industriais por meio Nos capítulos 10, ica direta e inversa de em relação às juntas e 1.1 Introdução lo sistema de controle, 1.2 A mecatrônica no contexto da automação 1.3 Sistema biológico versus sistema mecatrônico aplicações industriais rodução não só como 1.4 Mecatrônica: definições básicas mbém como elemento 1.5 A formação em mecatrônica age com os outros dis- ustriais reais, a fim de 1.6 Conceitos básicos de mecatrônica ítulos iniciais do livro. 1.7 Níveis de automação dor programável, con- de qualquer processo O Capítulo com ênfase em exem- e Capítulo 15, pelos taque para a utilização automação industrial, bonentes não são meros entre si e estão inseri- e livro é voltado para a projeto de sistemas de A mecatrônica pode ser compreendida como uma filosofia relacio- nação industrial, tendo nada à aplicação combinada de conhecimentos de áreas tradicionais, e mecatrônica. como a engenharia mecânica, a eletrônica, controle e a computação, (www.prenhall.com/ de forma integrada e concorrente. resentações em Power- Neste capítulo são apresentados conceitos básicos relacionados à área de mecatrônica, apresentando algumas definições básicas e aspectos relacionados à formação profissional em mecatrônica em níveis nacional e internacional e implicações impostos pelas alterações tecnológicas, sociais e econômicas.</p><p>2 Princípios de mecatrônica 1.1 INTRODUÇÃO manutenção etc.). Su processo produtivo Os países em desenvolvimento confrontam-se com o desafio da modernização de suas estruturas Isso resultou em de produção e da reestruturação dos processos de gestão. O binômio inovação produtivos e ao aum petitividade passou a ter importância estratégica para a participação no mercado internacional. Os das tecnologias de in fatores determinantes da competitividade estão sendo redefinidos, fazendo sucumbir os incapazes máxima está prevista de se adaptar ao novo contexto e emergir novas empresas com base tecnológica. Assim, a Não é mais novidade para o empresário, ou executivo, bem informado que este é um tempo de áreas do saber que mudanças aceleradas, sem precedente na história da civilização. O mundo evolui de forma vertigi- tivos eficientes, ágei nosa. Diariamente deparamos com a alteração parcial ou total das condições de uma situação no industrial atualmente nível micro ou macro, com mudanças rápidas e crescentes, que modificam de alguma maneira uma A necessidade de realidade preexistente (lório, 2002). formação de engenh Desde os anos 80, a progressão de vários fenômenos novos envolvendo uma dimensão que da automação indust ultrapassa as fronteiras nacionais e vai além da dimensão internacional tradicional deu origem a da decisão e da orga uma série de interpretações acadêmicas. Ao mesmo tempo, as estruturas das plantas fabris vêm se relevante no desenve modificando rapidamente ao longo dos últimos anos, em busca de melhoria na produtividade e da racionalização dos recursos investidos, a fim de atender às necessidades da sociedade e do mercado, à competição entre fornecedores e principalmente à exigência dos clientes. 1.2 A M Sob a ótica de modernização, os aspectos relativos ao nível de flexibilidade e à automação do CON sistema de manufatura são importantes devido às influências sobre comportamento e à produtividade do sistema de manufatura. Nesse contexto, a implementação de células flexíveis de manufatura e de A economia mun linhas de produção automatizadas torna-se necessária para a realização do estudo e da simulação século XX, os propuls do comportamento do sistema de produção tecnologia (represent Essas inovações tecnológicas demandam do engenheiro uma formação profissional atualizada por ções) e a globalização meio do contato crescente com conceitos e técnicas avançadas de automação integrada, tais como Provavelmente os processos de engenharia assistida por computador, automação das linhas de fabricação, robótica e Industrial', numa ana engenharia de novos materiais. mem passou a O estudo dos sistemas produtivos e das tecnologias a eles associadas como é o caso da auto- Segunda Guerra Mur mação industrial está na frente dos assuntos que devem ser detalhadamente estudados nos diversos Não é por acaso ramos relevantes da engenharia, caso queiramos o crescimento sustentável da sociedade, capaz de fronteiras entre os Esta garantir aumento da qualidade de vida sem desperdiçar em longo prazo os recursos disponíveis. cipalmente na Os sistemas produtivos têm sido condicionados a assegurar competência em vista de um mercado em com crescentes exigências no que tange à diversificação acentuada na liberdade de seleção e na empresariais são defi escolha para a aquisição dos bens de consumo. mental em vantagens Desde o final da Segunda Guerra Mundial houve uma notável evolução do pensamento acerca da produtiva têm papel produção industrial devido ao aparecimento não só de novas disciplinas, como a pesquisa operacio- nova agenda das nal e a cibernética, como também da área de informática. Apesar dessa evolução, da qual resultou a Todos os aspectos primeira automatização dos sistemas produtivos, no início da década de 80 assistiu-se a um declínio grande. Nada será CO da produtividade, essencialmente em virtude da mudança do mercado, que passou a exigir maior do maior contato com variedade de encomendas e diversificação dos produtos, tempos de desenvolvimento e produção das pressões ecológio menores, ciclos de vida menores dos produtos e redução de custos. Isso revelou uma inadequação a tradicional estrutura dos sistemas produtivos em relação às efetivas necessidades do mercado. são fortes, como most Em face dessa inadequação tornou-se imprescindível a maior integração de vasta gama de ne- por exemplo, e de ex gócios associados ao processo produtivo, que cobrem desde a aceitação da encomenda do cliente, 3M, General Electric passando pela produção propriamente dita, até a entrega dos produtos. A resposta encontrada foi uma maior visão já automação maior e mais abrangente do processo produtivo, que inclui, além do processo produtivo futuro, e não mais no global em si mesmo (manufatura, montagem, inspeção etc.), todas as fases associadas à produtividade Toda empresa, CC (encomenda, concepção, projeto, planejamento etc.) e ao ambiente fabril (armazenagem, distribuição, e, eventualm</p><p>Capítulo Introdução à mecatrônica 3 manutenção etc.). Surge então um novo conceito de automação industrial que, além de incidir sobre o processo produtivo, incide sobre os serviços a ele associados. de suas estruturas Isso resultou em uma tendência à maior organização e integração dos processos de negócios e ação tecnológica/com produtivos e ao aumento significativo tanto do número de sistemas computacionais como do peso cado internacional. Os das tecnologias de informação e de decisão presentes na automação industrial, área cuja expressão sucumbir os incapazes máxima está prevista para as primeiras décadas deste novo século. gica. Assim, a automação industrial evolui para uma disciplina multidisciplinar integrativa de várias que este é um tempo de áreas do saber que existem por si só mas que, associadas com objetivo de obter sistemas produ- evolui de forma vertigi- tivos eficientes, ágeis e fiáveis, dão uma perspectiva muito mais ampla ao conceito de automação es de uma situação no industrial atualmente utilizado. le alguma maneira uma A necessidade de evolução do processo produtivo tendente à sua automação global requer a formação de engenheiros com fortes conhecimentos não só das tecnologias que constituem a base do uma dimensão que da automação industrial, mas também das matérias ligadas aos sistemas computacionais, às teorias deu origem a da decisão e da organização e aos sistemas distribuídos, o que lhes permite desempenhar um papel plantas fabris vêm se relevante no desenvolvimento e na manutenção dos sistemas da área. na produtividade e da ociedade e do mercado, 1.2 A MECATRÔNICA NO dade e à automação do CONTEXTO DA AUTOMAÇÃO mento e à produtividade veis de manufatura e de A economia mundial foi marcada no século XVIII pela invenção da máquina a vapor; no fim do estudo e da simulação século XX, os propulsores da nova revolução do desenvolvimento foram e continuam a sê-lo a tecnologia (representada pela informática e pelo aperfeiçoamento dos transportes e das comunica- ofissional atualizada por ções) e a globalização (lório, 2002). ão integrada, tais como Provavelmente os dias atuais entrarão para a história como o período da 'moderna Revolução fabricação, robótica e Industrial', numa analogia com período inicial da industrialização, no século XVIII, quando o ho- mem passou a controlar os sistemas de potência. Na moderna Revolução Industrial, que veio após a como é o caso da auto- Segunda Guerra Mundial, homem conseguiu controle sobre os sistemas de informação. estudados nos diversos Não é por acaso que o estouro da Internet se dá justamente no momento histórico em que as da sociedade, capaz de fronteiras entre os Estados e os mercados estão se diluindo e a tecnologia, em todas as áreas, mas prin- os recursos disponíveis. cipalmente na comunicação e na informação, constitui-se em forte elemento de transformação. m vista de um mercado Investimentos em tecnologia privilegiam a inovação como vantagem competitiva. As estratégias erdade de seleção e na empresariais são definidas com base na identificação de oportunidades, e a competição é funda- mental em vantagens desenvolvidas em centros de pesquisas, onde os custos do e a cadeia pensamento acerca da produtiva têm papel de destaque. Dessa forma, os investimentos em P&D passam a fazer parte da no a pesquisa operacio- nova agenda das empresas. ução, da qual resultou a Todos os aspectos da vida humana estão sendo revistos e repensados, e numa velocidade muito assistiu-se a um declínio grande. Nada será como antes: a religião, com avanço das novas seitas; a filosofia, sob a influência e passou a exigir maior do maior contato com o Oriente; a família e o comportamento das novas gerações; o consumo, diante volvimento e produção das pressões ecológicas e da maior conscientização dos direitos; e o ambiente empresarial, em que velou uma inadequação a tradicional estrutura hierárquica está passando por uma profunda Os fatores de mudança são fortes, como mostram os trabalhos de consultores como Tom Peters, Peter Senge e Michael Porter, o de vasta gama de ne- por exemplo, e de experiências práticas de empresas como General Motors, Toyota, Volkswagen, encomenda do cliente, 3M, General Electric e Boeing, entre outras. A competição é tão acirrada hoje que as empresas de osta encontrada foi uma maior visão já perceberam que a verdadeira corrida, aquela que vale a pena ser disputada, está no n do processo produtivo futuro, e não mais no presente. à produtividade Toda empresa, como organismo vivo, segue um ciclo de nascimento, juventude, maturidade, distribuição, declínio e, eventualmente, morte. Para evitar o declínio, a empresa precisa buscar permanentemente</p><p>4 Princípios de mecatrônica uma nova curva de ciclo, um salto de transformação que viabilize um novo ciclo de desenvolvimento, controle. Por e um dos caminhos é a atualização tecnológica, a automação. atuadores, a fim de A rápida globalização e a evolução da tecnologia afetaram a vida de todas as pessoas envolvidas do ambiente e às exig com a indústria e com negócios, pelo menos na última metade do século XX. Tudo mudou, e a força A atividade descri da globalização e da tecnologia revolucionou ambiente de cada indivíduo ou organização. futuro, tendem a se r Estamos caminhando na era da informação ou para sua transição em que os elementos qualquer formação fu decisivos da vantagem competitiva não estão mais na posse, na detenção, de bens físicos. Pelo dominante no contrário, assentam-se de modo crescente na capacidade de gerar, partilhar, integrar e orquestrar Conceitos bás conhecimentos. simulação, COI De uma estratégia de conquista de posições, que se preservam por longos períodos, estamos evoluindo para uma estratégia de movimento, baseada na capacidade de antecipar tendências e de Visão multidis acompanhar rapidamente a sua evolução, com a redução drástica do ciclo de vida dos produtos e o Aprendizado t fortalecimento do ritmo de renovação. Nos dias atuais, para concorrer na economia não basta ter um meramente ac. bom produto: é indispensável interiorizar uma lógica de inovação estratégica que permita à empresa custo e as id ser capaz de conceber, adaptar ou copiar criativamente novos produtos de forma continuada. As fronteiras das indústrias vão se reconfigurando, em um processo que passa não apenas por A formação propo uma incorporação de serviço cada vez maior, mas também pela integração crescente entre negócios contexto global, com tradicionalmente distintos, como distribuição de alimentos e serviços financeiros. Os espaços de mais variadas competição, e os respectivos atores, são igualmente diferentes, pois a concorrência se internacio- Nesse contexto, d nalizou. nharia a formação pro Nesse ambiente competitivo a capacidade de inovar tornou-se essencial. Não inovar é ficar para predominante do eng trás. Se for verdade que a inovação tem riscos, o imobilismo tem muito mais. Basta recordar exem- preparação multidisci plos conhecidos de empresas que pararam no tempo e que agora clamam por apoio para sustentar a utilização de profiss unidades industriais e postos de trabalho. Inovar é fazer coisas diferentes ou de maneiras diferentes. É sair da rotina, é experimentar outras 1.3 SIST soluções ou mesmo formular outros problemas. É usar a criatividade para satisfazer necessidades não satisfeitas ou insuficientemente satisfeitas. SIST Quando se fala em inovação logo se pensa em inovação tecnológica. E argumenta-se mente que não conseguimos inovar porque não realizamos investimentos suficientes. Isso é verdade, Do aspecto os vários níveis de un mas é só uma parte da verdade. Nem sempre as inovações exigem desenvolvimentos tecnológicos efetuados no interior das empresas. Estas têm de dispor de uma capacidade básica de engenharia e, por conseguinte, es para integrar tecnologias disponíveis no mercado e apresentar respostas criativas na aplicação da requisitos automação, por exemplo. Os sistemas autom Se em um sistema biológico o homem conseguiu o controle sobre músculo, em um sistema de controle completo automatizado o controle obtido foi sobre o neurônio. Evidentemente as unidades fabris sempre conta- elementos, podemos (lório, 2000). A rão com a presença de profissionais com formação especialista, mas de modo muito mais acentuado será necessária a atuação de profissionais integradores, com formação multidisciplinar, moderna e altamente estimulante. Nos dias de hoje, a aplicação da automação com redes de comunicação é 1.4 MEC. um processo irreversível para a modernização industrial. O termo mecatrônica foi utilizado pela primeira vez no Japão, no final da década de 70, como A Figura 1.2 repre resultado da combinação bem-sucedida de mecânica, eletrônica e processamento digital em pro- do mundo físico infor dutos de consumo. Essa integração de conceitos pode gerar uma gama muito ampla de aplicações, O sistema de controle portanto termo mecatrônica pode ser interpretado de diferentes formas dependendo da aplicação de sistema realimenta em questão. complexidade. A mecatrônica pode ser entendida como a integração sinergética da engenharia mecânica com a Para muitos profis eletrônica e o controle por computador no projeto e na manufatura de produtos e processos. Aceita os projetos em robóti essa definição, o profissional formado nessa área do conhecimento humano deverá estar habilitado realimentado resultar para projetar e produzir produtos inteligentes baseados em microprocessadores e em sistemas de programação de alto r</p><p>Capítulo Introdução à mecatrônica 5 de desenvolvimento, controle. Por exemplo, a partir de um sensor tem-se a resposta do produto e o controlador age sobre atuadores, a fim de otimizar essa resposta, enquanto o microprocessador ajusta o sistema às variações as pessoas envolvidas do ambiente e às exigências do usuário. Tudo mudou, e a força A atividade descrita exige constante adequação do profissional às novas tecnologias, as quais, no ou organização. futuro, tendem a se modificar em velocidade ainda mais vertiginosa que a atual, o que inviabiliza em que os elementos qualquer formação fundamentada na simples transmissão de conhecimentos envolvendo tecnologia de bens físicos. Pelo dominante no presente. Assim, a formação em mecatrônica deve se em: integrar e orquestrar Conceitos básicos sólidos e mais abrangentes possível, incluindo modelagem de sistemas, simulação, controle, cinemática e dinâmica de sistemas mecânicos e mecatrônicos. gos períodos, estamos Visão multidisciplinar e sistêmica abrangendo mecânica, eletroeletrônica e informática. ecipar tendências e de vida dos produtos e o Aprendizado baseado na experimentação com vistas a eliminar fosso existente entre o projeto nomia não basta ter um meramente acadêmico e mundo real, com suas limitações e compromissos entre a técnica, que permita à empresa custo e as idiossincrasias do mercado consumidor. rma continuada. A formação proposta permite aos engenheiros egressos uma visão de seu trabalho dentro de um passa não apenas por contexto global, com uma conceituação suficientemente generalista que os habilita a atuar sob as escente entre negócios mais variadas condições do mercado. Os espaços de Nesse contexto, diversas universidades do país introduziram nos seus cursos superiores de orrência se internacio- nharia formação profissional em engenharia de controle e automação A característica predominante engenheiro de controle e automação é a formação generalista tendo em vista sua inovar é ficar para preparação multidisciplinar, harmonizando, portanto, soluções e equipamentos que antes requeriam Basta recordar exem- a utilização de profissionais de áreas distintas. or apoio para sustentar é experimentar outras 1.3 SISTEMA BIOLÓGICO VERSUS fazer necessidades não SISTEMA MECATRÔNICO gumenta-se Do aspecto funcional, os sistemas de automação industrial podem ser divididos de acordo com cientes. Isso é verdade, os vários níveis de uma organização, os quais executam funções específicas no processo produtivo vimentos tecnológicos e, por conseguinte, estão associados a diferentes elementos. Os níveis também apresentam diferentes básica de engenharia requisitos tecnológicos. ativas na aplicação da Os sistemas automatizados, dependendo da necessidade das aplicações, podem formar um sistema de controle completo e complexo. Na Figura 1.1, para uma fácil interpretação dos diversos níveis e isculo, em um sistema elementos, podemos comparar o sistema técnico com o sistema biológico, ou seja, o corpo humano es fabris sempre conta- (lório, 2000). A Tabela 1.1 sintetiza essa interpretação. muito mais acentuado disciplinar, moderna e des de comunicação é 1.4 MECATRÔNICA: DEFINIÇÕES BÁSICAS a década de 70, como A Figura 1.2 representa de forma genérica um sistema Os sensores permitem obter mento digital em pro- do mundo físico informações que são processadas digitalmente, resultando em ações de controle. ampla de aplicações, O sistema de controle age sobre o sistema físico por meio de atuadores, o que acarreta o conceito endendo da aplicação de sistema realimentado (feedback). Essa estrutura pode representar sistemas com diversos níveis de complexidade. haria mecânica com a Para muitos profissionais, a mecatrônica surgiu com o desenvolvimento dos robôs. Sem dúvida, tos e processos. Aceita os projetos em robótica impulsionaram desenvolvimento de outras áreas, tais como o controle deverá estar habilitado realimentado resultante da fusão de informações sensoriais, tecnologias de sensores e atuadores, ores e em sistemas de programação de alto nível, cinemática e O grande avanço na área de robótica somente foi</p><p>6 Princípios de mecatrônica PROCESSADOR Cérebro Sistema SENSORES mecânico SOFTWARE Visão Conhecimento Olfato Paladar REDE DE COMUNICAÇÃO Audição Sistema nervoso Tato FONTE DE ENERGIA Sensores Alimentação CONDUTOR DE ENERGIA Sistema sangüíneo Figura 1.2 siste ATUADORES possível com surgi Membros superiores envolve cálculos con ESTRUTURA Membros inferiores MECÂNICA Pesquisadores CO Esqueleto nição do termo meca nas áreas de Para outros pesqu em uma área i as ciências da Figura Sistema biológico versus sistema mecatrônico. SISTEMA BIOLOGICO SISTEMA MECATRONICO Cérebro Computador, CLP (controlador lógico programável) Conhecimento Software e base de dados Órgãos dos sentidos Sensores Membros inferiores e superiores Atuadores, cilindros, garras Sistema nervoso central Rede de comunicação, transmissão de dados Alimentacao Energia do sistema ar eletricidade Sistema sangüíneo Condutores de energia, cabeamento estruturado Esqueleto Estrutura Tabela 1.1 Equivalência entre o sistema biológico e o sistema mecatrônico. Figura 1.3 Definição</p><p>Capítulo Introdução à mecatrônica 7 SADOR Sistema Atuadores Ações mecânico nento COMUNICAÇÃO nervoso Processamento Sensores Informações DE ENERGIA digital ção FOR DE ENERGIA Figura 1.2 sistema mecatrônico. RES possível com o surgimento do microprocessador, pois o controle de trajetória dos robôs articulados ; superiores envolve cálculos complexos que devem ser realizados em tempo real. ; inferiores Pesquisadores conceituados de renomadas instituições internacionais discutem em artigos a defi- nição do termo mecatrônica. Segundo Ashley (1997), mecatrônica é a integração de conhecimentos nas de mecânica, elétrica e computação (veja a Figura 1.3). Para outros pesquisadores, a mecatrônica consiste: em uma área interdisciplinar que combina a engenharia mecânica, a engenharia eletrônica e as ciências da computação (Schweitzer, 1996); ico programável) MECATRÔNICA oleo Figura 1.3 Definição de mecatrônica segundo Ashley.</p><p>8 Princípios de mecatrônica na combinação das áreas de mecânica, controle, microeletrônica e ciências da computação, Como já foi dito numa abordagem de engenharia concorrente, com uma visão simultânea das possibilidades formação generalista nas diferentes disciplinas envolvidas, em contraste com as abordagens tradicionais que em mas que acabará em geral tratam os problemas separadamente (Van Brussel, 1996); profissional bastante na combinação de mecânica e eletrônica, considerando as ciências da computação ferramenta integrante das engenharias, com objetivo de melhorar a operação, aumentar a segurança e 1.6 reduzir custos de máquinas e equipamentos (Salminen, 1996); em uma filosofia de projeto, baseada na integração da da computação e do A mecatrônicaer controle em sistemas mecânicos, com propósito de obter a melhor solução de projeto e da computação e CO produtos com certo grau de e 'flexibilidade' (Acar, da Universidade de Lough- tal maneira que o re borough, na Inglaterra, 1996). entre O conceito de m A FORMAÇÃO EM MECATRÔNICA materiais, comportar 1.5 eletrônica e processa por computador), po A partir de meados da década de 80, países como Austrália, Japão e Coréia do Sul, além de alguns países europeus, implementaram cursos de graduação e pós-graduação voltados ao ensino a) Desenvolvime multidisciplinar de mecatrônica (Acar, 1997). simplificação Nos Estados Unidos não foram criados cursos específicos de engenharia mecatrônica, porém redução de no currículo de muitos cursos de graduação em engenharia foram introduzidas disciplinas que facilidade C apresentam conceito de mecatrônica (Ashley, 1997). Na grande maioria dos cursos de engenharia flexibilidad mecânica foram realizadas modificações e adaptações, com a adição de disciplinas que abordam a integração da mecânica, da eletrônica e da computação para desenvolvimento de componentes b) Desenvolvime e máquinas. flexibilidade Na Finlândia foi introduzido em 1987 um programa especial de pesquisa em mecatrônica com inteligência a participação de quatro universidades tecnológicas. Esse programa contou com um orçamento de tindo a adap 6,5 milhões de dólares até 1990 e com a participação de aproximadamente 80 indústrias atuantes em setores estratégicos, como o de máquinas para a fabricação de papel, telefonia móvel, máquinas florestais e robôs especiais (Salminen, 1996). Seu principal objetivo era difundir os conceitos de autodiagnós mecatrônica nas indústrias. Em 1995, um novo programa foi introduzido, com horizonte de quatro redução do anos e um orçamento de 20 milhões de dólares, envolvendo universidades, centros de pesquisa e elevado indústrias, com novos temas direcionados para a área de mecatrônica. Na Inglaterra, a comunidade envolvida com mecatrônica só recebeu aceitação oficial em 1990 Podemos citar alg com a criação de um fórum de mecatrônica apoiado pelo Institute of Electrical Enginners (IEE) e pelo industrial. Sistemas C Institute of Mechanical Engineers (MechE) (Hewit, 1996). eram compostos por n um só atuador (quase 1.5.1 A FORMAÇÃO EM MECATRÔNICA NO BRASIL elevada, para diminu No Brasil, os primeiros cursos de graduação em mecatrônica, que surgiram no final da década de sofreram significativo 80, e receberam do MEC a denominação de curso de engenharia de controle e automação, foram im- (CNC), por meio do q plementados em diversas universidades, faculdades de tecnologia e cursos técnicos (Rosário, 2000). lógicos programáveis processos, As atividades de um engenheiro de controle e automação incluem: 1) a análise dos processos, e 2) o projeto e o dimensionamento, a configuração, a avaliação, a segurança e a manutenção dos A utilização de me sistemas de controle e automação, bem como dos sistemas produtivos e das informações. juntas articuladas, por Tal profissional atuará na interface entre o sistema produtivo e sistema gerencial de empresas. montados ao longo de maior rigidez e nenhur A formação multidisciplinar nas áreas de mecânica, eletrônica, instrumentação industrial, informá- tica, controle e gestão da produção permite ao profissional elaborar estudos e projetos, bem como As aplicações de C participar da direção e da fiscalização de atividades relacionadas com o controle de processos e a de 80 com a evolução automação de sistemas industriais. pelo acentuado</p><p>Capítulo Introdução à mecatrônica 9 cias da computação, Como já foi dito, a característica predominante do engenheiro de controle e automação é sua ea das possibilidades formação generalista, o que requer um esforço notável tanto do corpo docente quanto do discente, tradicionais que em mas que acabará em suprir uma lacuna que de fato existe no mercado, possibilitando uma realização profissional bastante interessante. ferramenta mentar a segurança e 1.6 CONCEITOS BÁSICOS DE MECATRÔNICA da computação e do A mecatrônica envolve a integração concorrente das áreas de mecânica, ciência solução de projeto e da computação e controle, devendo extrair o que há de mais adequado em cada uma das áreas, de iversidade de Lough- tal maneira que o resultado seja mais do que a simples soma de especialidades, seja uma sinergia entre elas. O conceito de mecatrônica representa a combinação adequada de materiais (resistência dos materiais, comportamento térmico etc.), mecanismos (cinemática, dinâmica), sensores, atuadores, eletrônica e processamento digital (controle, processamento de sinais, simulação, projeto assistido por computador), possibilitando seguinte: do Sul, além de a) Desenvolvimento do projeto io voltados ao ensino simplificação do sistema mecânico; mecatrônica, porém redução de tempo e custo de desenvolvimento; disciplinas que facilidade de introduzir modificações ou novas capacidades; cursos de engenharia flexibilidade para receber futuras modificações ou novas funcionalidades. iplinas que abordam a ento de componentes b) Desenvolvimento do produto flexibilidade de operação (programabilidade); em mecatrônica com inteligência (capacidade para sensoriamento e processamento das informações, permi- um orçamento de tindo a adaptação a diferentes condições de operação); 80 indústrias atuantes automonitoramento e prevenção ativa de acidentes; móvel, máquinas undir os conceitos de autodiagnóstico em caso de falhas; m horizonte de quatro redução do custo de manutenção e do consumo de energia; centros de pesquisa e elevado grau de precisão e confiabilidade. itação oficial em 1990 Podemos citar alguns exemplos de como esses resultados são possíveis na área de automação Enginners (IEE) e pelo industrial. Sistemas como máquinas de comando numérico e máquinas de manufatura em geral eram compostos por mecanismos para a sincronização de movimentos, normalmente acionados por um só atuador (quase sempre um motor elétrico). A complexidade dos mecanismos exigia precisão elevada, para diminuir folgas, e dispositivos de lubrificação para reduzir atritos. Essas máquinas no final da década de sofreram significativo desenvolvimento com a introdução do controle numérico computadorizado (CNC), por meio do qual se obtêm peças com formas tridimensionais complexas. Os controladores automação, foram im- lógicos programáveis (CLP) possibilitaram grandes modificações na indústria com a automação de cnicos (Rosário, 2000). processos, melhorando o desempenho e a qualidade dos produtos. análise dos processos, A utilização de mecanismos flexíveis tem se tornado uma realidade e propicia a eliminação de e a manutenção dos juntas articuladas, por exemplo. Estruturas flexíveis podem ser controladas por sensores e atuadores informações. montados ao longo dessas estruturas, passando a apresentar os comportamentos desejados, como gerencial de empresas. maior rigidez e nenhum modo de vibração. industrial, informá- As aplicações de computação em engenharia mecânica desenvolveram-se no início da década ; e projetos, bem como de 80 com a evolução vertiginosa do poder de processamento dos computadores, acompanhada ntrole de processos e a pelo acentuado declínio de preços. Antes disso, programas para análise estrutural, térmica ou fluida</p><p>10 Princípios de mecatrônica eram rodados em computadores tipo mainframe com entrada de dados em cartões perfurados e No caso de u saídas em forma de listagens. Atualmente os programas de análise oferecem excelentes interfaces que podem ser gráficas para usuário, relacionadas tanto à entrada de dados como à apresentação dos resultados. termopar etc.), as Hoje, modelos matemáticos sofisticados e cada vez mais complexos podem ser simulados mesmo ser feita (tempo em computadores pessoais. eletrônica No caso extrer 1.7 NÍVEIS DE AUTOMAÇÃO temperatura, e seu um sistema de adequação de est Para alguns, mecatrônica é o conceito de engenharia integrada que utiliza CAD e CAM para gerar manutenção, poss um produto complexo como, por exemplo, um robô. Para um engenheiro de produção, por outro lado, ela pode constituir a implementação de um sistema flexível de manufatura. Um engenheiro, A geração de ao projetar uma câmera de vídeo, pode entender a mecatrônica como a utilização da eletrônica posterior controle numa aplicação mecânica. segundo o ponto de vista de um engenheiro químico, pode se tratar e instantâneo de do controle de um processo químico em que se usam sensores e atuadores, controlados por um pro- para a tomada de cessador digital. Provavelmente todos estão corretos, pois a mecatrônica está presente em diferentes níveis, como nos de: CONCLU componente (circuitos integrados, sensores, atuadores, mecanismos); máquina (máquinas de usinagem, medição, inspeção, movimentação, embalagem); O ponto impor mecânica, da elet sistema (FMS sistemas flexíveis de manufatura, FAS sistema de automação de fábrica, flexibilidade e inte CIM sistemas integrados de manufatura). facilidade para intr A atuação profissional nos diferentes níveis está relacionada com grau de compreensão exigido O grande desaf para os fenômenos físicos envolvidos: quanto mais alto esse grau, maior deve ser o domínio sobre tais jetos que visem à i fenômenos. O nível de componente exige o maior grau de domínio, enquanto o de sistema requer acompanhado essa o menor. Dessa forma, conforme nos distanciamos do nível físico, diminui a complexidade física de componentes, r envolvida devido ao aumento do nível de abstração. Por outro lado, aumenta a complexidade lógica projetos de do sistema, exigindo maior poder de processamento para lidar com maior quantidade de informação também habilidade (veja a Figura 1.4). domínio total sobre O rápido desenv ção de profissionais exigindo que a edu Complexidade Complexidade SISTEMA física menor lógica maior REFERÊNCIAS Acar, M. e Parkin, MÁQUINA 1, 1996, p. 106-112. Acar, M. "Mechatronic manufacturing technolo Ashley, S. "Getting a ho Complexidade Complexidade Hewit, R.; King T.G. física maior COMPONENTE 1, n. 2, 1996, p. 111-11 lório, L. C. Redes de COI sertação de mestrado Rosário, M. Projeto Figura 1.4 Complexidade de um sistema mecatrônico. de Engenharia Mecânica</p><p>Capítulo Introdução à mecatrônica cartões perfurados e No caso de um sensor de temperatura, por exemplo, é preciso conhecer os fenômenos físicos excelentes interfaces que podem ser utilizados para realizar a medida (variação de resistência, dilatação térmica, junção ntação dos resultados. termopar etc.), as vantagens e as desvantagens de cada um, as condições em que a medida deverá ser simulados mesmo ser feita (tempo de resposta, faixa de temperatura, precisão e condições ambientais adversas) e a eletrônica necessária para condicionar sinal e permitir sua leitura. No caso extremo do projeto de um sensor desse tipo, a informação desejada é valor real de uma temperatura, e seu processamento envolve o tratamento para um sinal elétrico. Num outro extremo, um sistema de automação de fábrica (FAS) deve lidar com informações bastante abstratas, tais como adequação de estoques, capacidade produtiva das máquinas, previsões de demanda, escalas de CAD e CAM para gerar manutenção, possibilidade de falhas, limites de consumo de energia etc. produção, por outro A geração de um planejamento otimizado de produção (o que produzir, quando e como) e Um engenheiro, posterior controle da produção (com correções ao longo do trabalho) exigem conhecimento preciso ilização da eletrônica e instantâneo de todas essas variáveis e de muitas outras, além de envolver algoritmos sofisticados uímico, pode se tratar para a tomada de decisões. ntrolados por um pro- em diferentes CONCLUSÃO O ponto importante do conceito e da filosofia da mecatrônica é a combinação concorrente da embalagem); mecânica, da eletrônica e da computação, com vistas a obter, no produto, características como automação de flexibilidade e inteligência e, no projeto, sistemas mecânicos mais simples, com custos reduzidos e facilidade para introduzir modificações. compreensão exigido O grande desafio imposto pela mecatrônica é a necessidade de atualização constante e de pro- en domínio sobre tais jetos que visem à integração de conhecimentos de diferentes áreas Os meios de comunicação têm to de sistema requer acompanhado essa evolução; a Internet possibilita consultas rápidas a fornecedores e fabricantes a complexidade física de componentes, máquinas e sistemas. A integração, uma vez que constitui uma característica dos a complexidade lógica projetos de mecatrônica, exige do profissional não apenas conhecimento técnico abrangente, mas ntidade de informação também habilidade para trabalhar em equipe, já que seria muito difícil um único profissional ter domínio total sobre todas as áreas envolvidas. O rápido desenvolvimento científico e tecnológico que estamos presenciando inviabiliza a forma- ção de profissionais com profundo domínio de todas as especialidades que compõem a mecatrônica, exigindo que a educação ocorra de forma continuada mesmo após a conclusão do curso. Complexidade lógica maior REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Acar, M. e Parkin, R. M. "Engineering education for mechatronics". IEEE transactions on industrial electronics, 43, n. 1, 1996, p. 106-112. Acar, M. "Mechatronics challenge for the higher education world". IEEE transactions on components, packing, and manufacturing technology, 20, n. 1, 1997, p. Ashley, S. "Getting a hold on mechatronics" Mechanical engineering, maio 1997, p. 60-63. Complexidade Hewit, R.; King T. G. "Mechatronics design for product enhancement". IEE & Asme transactions on mechatronics, V. lógica menor 1, n. 2, 1996, p. lório, L. C. Redes de comunicação em automação industrial: na solução tecnológica da plataforma Pipefa. Dis- sertação de mestrado Faculdade de Engenharia Mecânica, Unicamp, Campinas, 2002. Rosário, J.M. Projeto pedagógico do curso de graduação de engenharia de controle e automação da Unicamp. Faculdade de Engenharia Mecânica, Coordenação de Mecatrônica, Unicamp, Campinas, out. 2000.</p><p>12 Princípios de mecatrônica Salminen, V. "Ten years of mechatronics research and industrial applications in Finland". IEEE & Asme transactions on V. 1, n. 2, 1996, p. 103-105. CAPÍTULO Schweitzer, G. "Mechatronics: basics, objectives, examples". Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, V. 1996. "Embedded robotics: ideas on the future of robotics". Proceeding of X International on Dy- namic Problem of Mechanics, V. 1, p. 1-9, 2003. Van Brussel, H. M. J. "Mechatronics: a powerful concurrent engineering framework". & Asme transactions on mechatronics, V. 1, n. 2, 1996, p. 127-136.</p><p>& Asme transactions on CAPÍTULO Mechanical Engineers, V. ional on Dy- & Asme transactions on 2 CONCEPÇÃO DE SISTEMAS MECATRONICOS 2.1 Introdução 2.2 Sistemas mecânicos passivos 2.3 Sistemas mecânicos ativos 2.4 Sistemas mecânicos ativos com realimentação elétrica: sistemas mecatrônicos Este capítulo discute as soluções tradicionais de concepção de sistemas mecânicos, abordando os aspectos relacionados à integra- ção de componentes e características de especificação funcional e tecnológica que envolvem a concepção de um projeto. A partir dessas características torna-se possível a identificação de potencialidades dos sistemas, o que caracteriza uma nova classe de concepção de projeto em engenharia, baseada na intersecção entre a engenharia mecânica, a engenharia elétrica e a computação, ou seja, na enge- nharia mecatrônica. Considerando a amplitude de soluções a serem levadas em conta dentro do contexto 'sistemas neste capítulo o problema é abordado de forma genérica, procurando-se estabelecer comparações com as concepções tradicionais, em termos de potencial atendimento das diferentes necessidades de engenharia e suas implicações da concep- ção e da metodologia de projetos sob o ponto de vista do sistema meca- trônico e do universo de conhecimentos exigidos em engenharia.</p><p>14 Princípios de mecatrônica 2.1 INTRODUÇÃO Requisitos de pro A engenharia mecânica tem como objetivo final o atendimento de uma necessidade humana, com vistas a proporcionar conforto, bem-estar e segurança. Ela se distingue das demais engenharias Criatividade pelo fato de tal atendimento se dar por meio da concepção (projeto e construção) de sistemas mecâ- nicos, os quais visam suprir necessidades que envolvem grandezas mecânicas, como forma, posição, velocidade, pressão, temperatura etc. No entanto, essas necessidades não são fixas e exigem que sistema mecânico execute a mesma função de formas diferentes, como é caso de uma Para a abertura de um furo de deter- minado diâmetro em determinado tipo de material, é requerida uma certa velocidade de rotação; na alteração do material ou do diâmetro do furo, é requerida uma outra velocidade de operação. A capacidade de um sistema mecânico de se adaptar a novas exigências depende de como ele foi projetado. Nesse sentido, observando universo dos sistemas mecânicos existentes, podem-se identificar duas concepções básicas a ser adotadas no projeto de um sistema mecânico e que serão apresentadas neste capítulo com as nomenclaturas sistema mecânico passivo e sistema mecânico Figura 2.2 Projeto ativo (veja a Figura 2.1). A seguir estão list 2.2 SISTEMAS MECÂNICOS PASSIVOS processo de projeto a) Cinemática: d Essa concepção poder ser considerada uma clássica para o projeto de um sistema mecâ- velocidade, nico e deve atender às seguintes necessidades: b) Dinâmica:gara Forma geométrica do sistema e de cada um de seus componentes. Relaciona-se a formas ma- executem as croscópicas, como comprimento, altura, largura.et e até a detalhes microscópicos, como c) Resistência dos acabamento superficial. das (o que impi Material a ser empregado em cada componente. Relaciona-se não somente aos elementos por esforços químicos que constituem o material, mas também aos aspectos estruturais que envolvem deformação. tipo de tratamento térmico/químico aplicado. d) Termodinâmic Por meio do conhecimento de ciências básicas da engenharia mecânica, como cinemática, fim de garantir mica, resistência de materiais e ciência de materiais, e de um processo de criação, projetista define mecânica. a forma e a maneira de fabricação do sistema mecânico, de modo que ele execute as funções exigidas e) Mecânica dos (veja a Figura 2.2). Ao mesmo tempo, esse processo de definição envolve um estudo econômico com por meio desse vistas a propiciar a produção do sistema ao menor custo possível. f) Tribologia: sua caso são consid do dispositivo. superficial e as lubrificação. Objetivos Funções Sistema mecânico g) Ciência dos ma (passivo parâmetros com usinabilidade e h) Tecnologia de de formas e ma os itens de (a) a Figura Sistemas mecatrônicos. i) Economia: leva a ser obtida. Co forma</p><p>Capítulo 2 Concepção de sistemas mecatrônicos 15 Requisitos de projeto Forma geométrica PROJETO ecessidade humana, Criatividade Material demais engenharias ANÁLISE E SÍNTESE o) de sistemas mecâ- como forma, posição, ico execute a mesma Cinemática Termodinâmica de um furo de deter- Dinâmica Mecânica dos fluidos cidade de rotação; na Resistência dos materiais Tecnologia de fabricação de de operação. Tribologia Ciência dos materiais Economia lepende de como ele existentes, podem-se necânico e que serão e sistema mecânico Figura 2.2 Projeto de um sistema mecânico passivo. A seguir estão listadas algumas das ciências básicas da engenharia mecânica e sua função no processo de projeto do sistema a) define a relação entre a geometria e a grandeza física a ser gerada (posição, de um sistema mecâ- velocidade, aceleração, força etc.). b) Dinâmica: garante que as partes que compõem dispositivo, cada uma possuindo uma inércia, ciona-se a formas ma- executem as funções requeridas segundo uma ordem cronológica desejável. icroscópicos, como c) Resistência dos materiais: garante que as relações geométricas acima definidas sejam preserva- das (o que implica preservar as formas geométricas) mesmo diante de deformações provocadas mente aos elementos por esforços ou de rompimentos completos do componente, que é uma forma extrema de urais que envolvem o deformação. d) Termodinâmica: define as dimensões e a geometria dos componentes do mecanismo, a omo cinemática, fim de garantir que elas não atinjam temperaturas que possam comprometer a resistência :ão, o projetista define mecânica. ute as funções exigidas e) Mecânica dos fluidos: define esforços gerados por líquidos em repouso ou em movimento e, studo econômico com por meio desses esforços, a geometria e as dimensões dos componentes. f) Tribologia: sua finalidade é similar à descrita no item dos mas neste caso são consideradas as deformações permanentes decorrentes do desgaste dos componentes do dispositivo. Portanto, sua função consiste na definição da forma adequada de acabamento superficial e aspectos microscópicos da forma geométrica para garantir menor desgaste e lubrificação. g) Ciência dos materiais: define material a ser empregado nos componentes com base em parâmetros como dureza, módulo de elasticidade, tensão de ruptura, resistência ao desgaste, usinabilidade e custo, entre outros, que caracterizam cada tipo de material. h) Tecnologia de fabricação: define a tecnologia de fabricação mais adequada para a obtenção de formas e materiais com características especificadas por meio de estudos que abrangem os itens de (a) a (f). i) Economia: leva em conta a existência de uma forte relação entre o custo e a forma geométrica a ser obtida. Como a tendência é minimizar o custo, ele acaba contribuindo na definição da forma geométrica.</p><p>16 Princípios de mecatrônica Essa breve descrição permite observar que todas as ciências mencionadas conduzem à definição da forma geométrica (dimensões, tolerância de fabricação, acabamento superficial) e do material do componente mecânico. Podemos afirmar então que a função executada por um sistema mecânico Fur passivo fica definida assim que se definem sua forma e seu material, ou seja, assim que ele é proje- (requ tado. Essa é a primeira característica relevante dos sistemas mecânicos passivos. Há casos de sistemas mecânicos em que já se prevê uma variedade de necessidades e, em função disso, o projeto é realizado de modo que um mesmo sistema incorpore vários subsistemas, cada um destinado a atender a um tipo de necessidade. Tomando novamente como exemplo um dispositivo de furação, toda vez que há a necessidade de um novo ajuste na velocidade de rotação da broca, é preciso alterar a relação de transmissão entre o motor e por meio de uma alavanca. Apesar de não se requerer nesse caso um novo projeto ou uma nova construção, o processo de adap- tação a uma nova necessidade é integralmente dependente da intervenção humana (veja a Figura 2.3) eis a segunda característica relevante dos sistemas mecânicos passivos. Como decorrência das características descritas anteriormente, pode acontecer de um sistema mecatrônico passivo passar a executar uma nova função; nesse caso, sistema deve ser projetado e construído novamente. Ao mesmo tempo, em virtude da necessidade de intervenção humana, o processo de adaptação de um sistema mecatrônico passivo visando à execução de uma nova função e à adequação a uma nova necessidade é complexo e trabalhoso, implicando limitações na rapidez com que a adaptação ocorre. Cabe observar mais um aspecto, agora sob o'ponto de vista da metodologia do projeto e da construção de sistemas mecânicos passivos a Figura 2.4). O projeto desses sistemas é realizado por meio da aplicação das ciências básicas de engenharia mecânica. Ou seja, para realizar projeto é preciso considerar previsões sobre o desempenho e comportamento dos vários componentes que constituem sistema e considerar o sistema como um todo, mediante o uso de ferramentas matemáticas e de resultados experimentais previamente coletados. Ocorre que tais previsões muitas vezes implicam a adoção de hipóteses simplificadoras, tendo em vista a impossibilidade de descrever exatamente o comportamento do dispositivo. Figura 2.4 Meto Em maior ou m Energia crepância entre C desvio esteja além que acarretará mai Funções Funções desejadas executadas 2.3 SIS Sistema mecânico Muitas vezes, projeto prevê a incl e construído tenha relação aos sistema de concepção do Intervenção controle, sendo abc humana Castrucci (1990), de parâmetros inter de ajuste atua sem O funcionamen Figura 2.3 Funcionamento de um sistema mecânico passivo. que ocorre nos</p><p>Capítulo 2 Concepção de sistemas mecatrônicos 17 à definição e do material do Funções desejadas m sistema mecânico (requisitos de projeto) que ele é proje- Projeto sidades e, em função cada um um dispositivo de rotação da broca, io de uma Construção o processo de adap- umana (veja a Figura Funções executadas pelo sistema mecatrônico tecer de um sistema a deve ser projetado Comparação/avaliação ervenção humana, o de uma nova função na rapidez Não do projeto e da Satisfatório? ; sistemas é realizado realizar o projeto vários componentes Sim ) uso de ferramentas FIM tais previsões muitas bilidade de descrever Figura 2.4 Metodologia de concepção de sistemas mecânicos passivos. Em maior ou menor escala, essas previsões podem conter erros que, ao final, resultarão em dis- crepância entre o comportamento obtido de fato e o comportamento originalmente desejado. Caso o desvio esteja além do tolerável, será preciso realizar novamente o projeto e a construção do sistema, o que acarretará maior demora na adaptação a uma mudança nas funções requeridas do dispositivo. 2.3 SISTEMAS MECÂNICOS ATIVOS Muitas vezes, modelo de sistema mecânico passivo pode sofrer algumas alterações; nesse caso, o projeto prevê a inclusão de um elemento de ajuste, cuja função é permitir que sistema já projetado e construído tenha seu desempenho funcional alterado. Mas a grande diferença desse modelo em relação aos sistemas mecânicos passivos é a inclusão do conceito de controle automático na etapa de concepção do sistema mecânico. O conceito de controle automático é definido pela teoria de controle, sendo abordado por muitos autores, tais como Kuo (1982), Distefano (1978), Ogata (1986), Castrucci (1990), Hunter (1987), segundo a qual o elemento de ajuste realiza as devidas correções de parâmetros internos do sistema, a fim de obter a saída desejada. Cabe ressaltar que o elemento de ajuste atua sem a intervenção humana. O funcionamento de um sistema mecânico ativo é ilustrado na Figura 2.5. Diferentemente do que ocorre nos sistemas mecânicos passivos (Figura 2.3), na entrada dos sistemas mecânicos ativos</p><p>18 Princípios de mecatrônica Energia Sistema mecatrônico Funções Funções desejadas executadas Deslizado Elemento de ajuste Fluxo de Figura 2.6 Regu Figura 2.5 Funcionamento de um sistema mecânico ativo. as funções desejadas não são explicitamente indicadas, pois não são fixas e podem De acordo projetar e construir com as alterações em tais funções, o elemento de ajuste, incorporado ou anexado ao sistema projeto incluísse no nico, procede aos devidos ajustes nos parâmetros internos do sistema, sem a intervenção humana, dessa válvula de modo que se obtenham as funções desejadas na saída. Os problemas Como vemos na Figura 2.5, no que se refere à metodologia geral de concepção, ocorrem alterações ativos, os quais via importantes em relação aos sistemas passivos. A primeira delas é na etapa de projeto, que, conforme funções exigidas p mencionado, passa a incluir aspectos relacionados ao controle dos conhecimentos a ser empregados. que as Além disso, nos sistemas ativos as funções desejadas (requisitos de projeto) são especificadas de forma a criação de máqu mais ampla, com a descrição de como deverão ser alteradas. sistemas passivos. Um exemplo de sistema mecânico ativo é a locomotiva equipada com um regulador automático Depois da loco de velocidade, proposta por James Watt em 1788 e ilustrada na Figura 2.6 (Wolovich, W.A.). Nesse foram desenvolvido regulador, assim que a velocidade de rotação da locomotiva aumenta, a força que age sobre taram uma caracteri os contrapesos também aumenta, fazendo com que o deslizador suba. Isso, por sua vez, faz com que fato de a realimer uma válvula se feche e diminua a quantidade de vapor que flui para a locomotiva. A velocidade da realizada exclusiva locomotiva tende então a cair, o que resulta no oposto do que foi descrito. O processo de aumento e de sistemas diminuição de velocidade se repete iterativa e continuamente até que a força da mola que tende a série de limitações, fazer com que os contrapesos subam equilibre aquela gerada pela força centrifuga que age sobre A realimentação os contrapesos. Apertando ou desapertando o parafuso, regula-se a força exercida pela mola e, com controle, ou seja, a isso, altera-se a velocidade na qual se dá o equilíbrio. Assim, um trem equipado com essa locomotiva atual da variável de e com o regulador será capaz de manter a velocidade desejada, e não importa se trem está num a computação do e trecho plano ou numa subida ou se a carga é alterada, com o aumento ou a diminuição do número e sua transformação de vagões. O regulador da Figura 2.6 altera automaticamente a abertura da válvula, regulando a lação, a saída dese passagem do vapor para a locomotiva. um monitoramento A título de exemplo, segue uma discussão sobre como seria esse sistema se concebido na forma tipo e na precisão C de um sistema mecânico passivo. Em primeiro lugar, seria necessário restringir significativamente as Contudo, a dific condições de projeto. A locomotiva deveria ser projetada para manter uma velocidade fixa (função a realimentação me desejada), assumindo-se que conduziria um número fixo de vagões, em condições fixas de declivi- de realimentação, dade da linha férrea, com a caldeira fornecendo vapor a uma pressão fixa. O resultado principal do partes, a realimenta projeto seria a definição do tamanho e da forma da passagem de vapor da caldeira para a locomotiva. que os problemas ( Se houvesse alguma alteração nos pressupostos mencionados, na pion das hipóteses seria necessário mecânicos ativos.</p><p>Capítulo 2 Concepção de sistemas mecatrônicos 19 Parafuso para o set point de velocidade Funções Contrapeso executadas Deslizador Fluxo de vapor normal para 0 motor Figura 2.6 Regulador automático de velocidade, projetado por James Watt. em variar. De acordo projetar e construir uma nova passagem de vapor. Mesmo numa situação mais favorável, em que do ao sistema mecâ- projeto incluísse no sistema uma passagem de vapor de geometria variável (válvula), o acionamento intervenção humana, dessa válvula demandaria intervenção humana. Os problemas relativos aos sistemas mecânicos passivos são solucionados nos sistemas mecânicos ), ocorrem alterações ativos, os quais viabilizam a adaptação em tempo real (ou suficientemente rápida) às alterações das que, conforme funções exigidas pelo sistema. Ao mesmo tempo, o controle automático aumenta a precisão com os a ser empregados. que as necessidades são atendidas. Os sistemas mecânicos dotados dessas vantagens permitiram pecificadas de forma a criação de máquinas capazes de executar funções impossíveis de ser viabilizadas na forma de sistemas passivos. egulador automático Depois da locomotiva de Watt, primeiro exemplo significativo de sistema ativo, muitos outros ovich, W. A.). Nesse foram desenvolvidos até épocas recentes. entanto, as primeiras versões de sistemas ativos apresen- trifuga que age sobre taram uma característica em comum com relação à implementação do sistema de controle automático: sua vez, faz com que o fato de a realimentação (fluxo de sinal da variável de controle até acionamento do regulador) ser iva. A velocidade da realizada exclusivamente por meios mecânicos. Essa classe de sistemas mecânicos ativos é chamada ocesso de aumento e de sistemas mecânicos ativos com realimentação mecânica. A realimentação mecânica impõe uma mola que tende a série de limitações, descritas a seguir. que age sobre A realimentação compreende duas ações distintas. A primeira é monitoramento da variável de da pela mola e, com controle, ou seja, a obtenção de um sinal (nesse caso, mecânico) que represente e descreva o estado com essa locomotiva atual da variável de controle. A outra é tratamento do sinal obtido pelo monitoramento, ou seja, se o trem está num a computação do erro (a diferença entre o estado atual e estado desejado da variável de controle) ninuição do número e sua transformação de maneira adequada, de modo que, ao ser enviado para o elemento de regu- álvula, regulando a lação, a saída desejada seja obtida. A realimentação mecânica oferece limitações na execução de um monitoramento rápido e preciso da variável de saída. Oferece também uma grande limitação no concebido na forma tipo e na precisão do tratamento do sinal. ignificativamente as Contudo, a dificuldade maior está no fato de ser extremamente trabalhoso projetar e implementar ocidade fixa (função a realimentação mecânica em Quanto maior a complexidade do tratamento a ser dado ao sinal fixas de declivi- de realimentação, maior a complexidade do mecanismo que executará esse tratamento. Vista por sultado principal do partes, a realimentação mecânica é constituída de vários sistemas mecânicos passivos. Acredita-se a para a locomotiva. que os problemas da realimentação mecânica tenham limitado a evolução da classe de sistemas eses seria necessário mecânicos ativos.</p><p>SEN 20 Princípios de mecatrônica SISTEMAS MECÂNICOS ATIVOS COM um transdutor, norn 2.4 de resposta determir REALIMENTAÇÃO ELÉTRICA: indutância, capacità SISTEMAS MECATRÔNICOS precisos e rápidos C O surgimento Na década de 50 foi inventado transistor, acontecimento que marcou início de uma nova era ção do tratamento de notável desenvolvimento da tecnologia eletrônica, com o surgimento de novos sensores e atua- grande maioria dos dores e do computador. Em particular, o computador representou primeiro avanço significativo do seu princípio de ser humano no que diz respeito a fazer com que uma máquina interprete, analise e tome decisões (motores de corren tarefas até então exclusivas do ser humano. motores lineares e r válvulas solenóides Esse desenvolvimento acarretou, entre outros avanços tecnológicos, o desenvolvimento da tecno- pneumáticos. E, ma logia de controle por meios eletrônicos, ou seja, por intermédio da utilização de sensores, atuadores atuadores piezelétri e controladores implementados em circuitos analógicos ou digitais (incluído o controle digital pelo 10 um), permitem m computador). A nova tecnologia foi rapidamente incorporada à engenharia mecânica, dando origem de impressora por i a uma nova classe de sistemas mecânicos ativos com realimentação elétrica, denominada sistemas em posicionamento mecatrônicos. lá em termos de 2.4.1 SISTEMAS MECATRÔNICOS: CARACTERÍSTICAS E PROJETO os dispositivos eletr operações matemáti A partir da segunda metade da década de 50, as tecnologias eletrônicas avançaram notavelmente, à dos equivalentes com o surgimento dos componentes semicondutores (transistor, diodo etc.) e da tecnologia eletrônico para trata de circuitos integrados, aliado à evolução dos dispositivos de armazenamento de informações, as digitais de tratament memórias dos computadores. a ruídos; algoritm Em meio a esse avanço, surgiram os transdutores, que convertem um sinal mecânico em sinal programa no compu elétrico (sensores) ou um sinal elétrico em sinal mecânico (atuadores), bem como os dispositivos ele- e os dados coletado trônicos lógicos e digitais com capacidade de tratamento de sinais elétricos. Isso pode ser verificado Ao se proceder mediante uma comparação entre os sensores mecânicos e os eletrônicos utilizados para monitorar as mento de sinais e at variáveis de saída. Nos sensores mecânicos, o sinal continua na forma de sinal mecânico, impondo somam e, dessa ma dificuldades na sua manipulação; por exemplo, ao monitorar a posição de um objeto por meio de citar as vantagens uma barra, o sinal só pode ser transmitido em princípio na mesma direção do movimento monitorado. Uma alteração na direção de condução do sinal é possível somente com uso de um mecanismo precisão de como o de barras articuladas. rapidez de re Na implementação desses mecanismos ocorrem imprecisões construtivas e de montagem, além capacidade C de folgas e atritos nas diversas partes móveis, prejudicando a precisão do monitoramento. Portanto, caso se deseje uma medição precisa do movimento, faz-se necessário impor cuidados especiais no Outro fato impo projeto e na concepção desses elementos, que implica um custo elevado. Além do problema de de todas essas vanta imprecisão, o sensoriamento mecânico apresenta outra limitação: a grandeza física é monitorada por e computadores da barras, cabos ou outro tipo de elemento mecânico. Como são elementos mecânicos, possuem uma tempo, novos eleme massa (inércia) que pode interferir no movimento do objeto a ser controlado. Acrescente-se a isso o constantemente os j fato de que os elementos mecânicos utilizados na monitoração e na transmissão de sinal apresentam Todos esses argur rigidez finita e, em o sensoriamento mecânico apresenta limitações quanto ao tempo possibilidades para de resposta a uma variação na grandeza de medida. os ativos com realim Quando se trata de sensores eletrônicos, a grandeza física em questão é convertida em sinal sistema elétrico, o qual pode ser conduzido a locais até mesmo distantes daquele onde se deu a medição. O esquema que Embora esse processo também esteja sujeito a ruídos, há uma extensa variedade de recursos, alguns 2.7. Há uma clara di deles de custo extremamente reduzido, para eliminá-los (Groover, 1980), como a blindagem de e a outra parte em condutores, a amplificação diferencial e a modulação por entre outros. Além disso, no manipulação de info caso de sensores eletrônicos, a conversão de um sinal mecânico em elétrico é realizada através de elétricos (incluída a</p><p>SENAI DR AM NIT Capítulo 2 Concepção de sistemas mecatrônicos 21 um transdutor, normalmente próximo ao local de medição, sendo a limitação em termos de tempo de resposta determinada somente por características físicas do transdutor (geralmente elétricas, como indutância, capacitância etc.). Em resumo, pode-se afirmar que os sensores eletrônicos são bem mais precisos e rápidos que os equivalentes mecânicos. O surgimento de atuadores com comando elétrico (ou digital) pode ser justificado pela evolu- ção do tratamento dos dados na forma elétrica ou digital em face das vantagens mencionadas. A cio de uma nova era grande maioria dos atuadores nessa categoria pode ser classificada como eletromagnética segundo sensores e atua- seu princípio de funcionamento. Os exemplos são os motores elétricos dos mais variados tipos anço significativo do (motores de corrente contínua, motores de corrente alternada, motores de passo, servomotores, lise e tome decisões motores lineares e motores para acionamento direto, entre outros), solenóides lineares ou rotativos, válvulas solenóides e servoválvulas que são empregados em conjunto com atuadores hidráulicos e volvimento da tecno- pneumáticos. E, mais recentemente, surgiram atuadores com finalidades específicas. É caso dos sensores, atuadores atuadores piezelétricos, os quais, apesar de ter um curso de movimentação pequeno (da ordem de controle digital pelo um), permitem movimentos rápidos e precisos. Eles são empregados, por exemplo, em cabeçotes ânica, dando origem de impressora por impacto, em motor de ultra-som para câmeras fotográficas, em microscópios e lenominada sistemas em posicionamento de precisão. lá em termos de tratamento de sinais (computação do erro e aplicação dos algoritmos de controle), os dispositivos eletrônicos apresentam a vantagem de permitir a execução de ampla variedade de operações matemáticas com precisão elevada a uma velocidade também elevada quando comparada çaram notavelmente, à dos equivalentes mecânicos. Em particular, quando um computador é utilizado como dispositivo etc.) e da tecnologia eletrônico para tratamento, verificam-se vantagens adicionais mesmo sobre os circuitos analógicos ou de informações, as digitais de tratamento: o tratamento é feito integralmente sob a forma numérica e, portanto, é imune a ruídos; o algoritmo de controle pode ser alterado facilmente, bastando para isso inserir um novo il mecânico em sinal programa no computador; torna-se possível realizar operações matemáticas de elevada complexidade, 10 os dispositivos ele- e os dados coletados podem ser armazenados e consultados de maneira automática. o pode ser verificado Ao se proceder à realimentação utilizando sensores eletrônicos, dispositivo eletrônico de trata- dos para monitorar as mento de sinais e atuadores eletromecânicos, as vantagens expostas até aqui para cada elemento se mecânico, impondo somam e, dessa maneira, passa-se a ter uma realimentação altamente eficiente em termos de (sem n objeto por meio de citar as vantagens advindas da utilização do computador): vimento monitorado. precisão de controle; de um mecanismo rapidez de resposta; de montagem, além capacidade de realizar algoritmos de controle de elevada complexidade. Portanto, cuidados especiais no Outro fato importante a ser considerado é que, ao longo dos anos, custo de implementação Além do problema de de todas essas vantagens tem se reduzido. O custo de sensores, atuadores, componentes eletrônicos sica é monitorada por e computadores da mesma faixa de capacidade funcional cai drasticamente ano a ano. Ao mesmo ânicos, possuem uma tempo, novos elementos, com capacidade funcional cada vez mais elevada, substituem rápida e Acrescente-se a isso o constantemente os já existentes no mercado. o de sinal apresentam Todos esses argumentos indicam que os sistemas mecânicos com realimentação elétrica apresentam ções quanto ao tempo possibilidades para superar, em termos de desempenho, os sistemas mecânicos passivos e mesmo os ativos com realimentação mecânica. (A partir daqui, o primeiro tipo de sistema será denominado convertida em sinal sistema mecatrônico, e os dois últimos, sistemas mecânicos convencionais.) de se deu a medição. O esquema que descreve o funcionamento de um sistema mecatrônico possui a forma da Figura de de recursos, alguns 2.7. Há uma clara distinção entre a parte do sistema em que as grandezas envolvidas são mecânicas a blindagem de e a outra parte em que elas são elétricas. O controle automático é realizado basicamente mediante a outros. Além disso, no manipulação de informações. No caso de sistemas mecatrônicos, essa manipulação se dá por meios é realizada através de elétricos (incluída a manipulação por computador).</p><p>22 Princípios de mecatrônica Energia Controlador (elemento de tratamento de sinais) Funções Funções executadas desejadas Sistema Compensador Atuador mecânico Sensor Grandezas elétricas Grandezas mecânicas Figura 2.7 Estrutura de um sistema mecatrônico. 2.4.2 CARACTERÍSTICAS DO PROJETO DE UM SISTEMA MECATRÔNICO Abordaremos aqui aplicações de sistemas mecatrônicos voltados à mecânica de precisão. Bolton (1995), por exemplo, propõe um procedimento geral de projeto para sistemas mecatrônicos que envolvem sistemas de controle de posição. Já autores como Salminen (1996), numa postura mais conservadora, restringem-se a descrever o projeto de um sistema mecatrônico como um relaciona- mento bidirecional entre o projeto do sistema mecânico e do sistema Esta última postura será a adotada neste capítulo, em que o autor se limita a apresentar uma metodologia cuja parte Figura 2.8 Metc essencial é comum a qualquer ramo da engenharia mecatrônica (Santos, 1979), inclusive a outras engenharias. Tal metodologia básica é também a descrita neste capítulo com relação ao projeto de Disso resulta sistemas mecânicos passivos (veja a Figura 2.8). Conceber d Com isso em mente, podemos definir uma metodologia de projeto para sistemas mecatrônicos: trole de um a) é possível distinguir uma parte que trata do projeto mecânico de outra que trata do projeto equipament do controle (esta última inclui os sensores, os atuadores, controlador e a estratégia de con- de precisão trole); atendidas. b) a especificação do sistema ocorre mediante a execução concomitante do projeto mecânico Suprir e do projeto do controle; requisitos de c) há duas possíveis alternativas para um reprojeto, no caso de um projeto inicial não atender Essas às necessidades especificadas; permitam es dificuldades d) diferentemente do projeto de um sistema mecânico convencional, no qual se gera somente Nessas situa especificação quanto ao material e à geometria, aqui se gera especificação adicional, referente deficiência I aos sensores, aos atuadores e à estratégia de controle. mas</p><p>Capítulo 2 Concepção de sistemas mecatrônicos 23 Funções desejadas (requisitos de projeto) PROJETO Projeto do controlador Funções Projeto mecânico (sensores, atuadores, executadas estratégia de controle) istema ecânico ESPECIFICAÇÕES Material Sensor Geometria Atuador Estratégia de controle Construção Funções executadas pelo necânicas sistema mecatrônico Comparação/avaliação Não Não Satisfatório? NICO ca de precisão. Bolton Sim has mecatrônicos que numa postura mais FIM como um relaciona- Esta última postura cuja parte Figura 2.8 Metodologia de projeto de um sistema mecatrônico. 79), inclusive a outras relação ao projeto de Disso resulta que no projeto de um sistema mecatrônico é possível: Conceber dispositivos e equipamentos com novas capacidades funcionais: o projeto do con- stemas mecatrônicos: trole de um sistema mecatrônico resulta na possibilidade de obtenção de dispositivos e de a que trata do projeto equipamentos com novas capacidades funcionais, as quais se referem a patamares superiores e a estratégia de con- de precisão no atendimento das necessidades ou a uma ampliação no universo daquelas a ser atendidas. do projeto mecânico Suprir deficiências do projeto mecânico por meio do controle: existem situações em que os requisitos de projeto não podem ser plenamente atendidos somente pelo projeto Essas situações podem ser decorrentes da não-disponibilidade de modelos matemáticos que eto inicial não atender permitam estudar comportamento mecânico do dispositivo com suficiente precisão ou de dificuldades na obtenção de características geométricas e dos materiais desejados em projeto. qual se gera somente Nessas situações, por mais esforço que se dedique ao projeto mecânico, sempre haverá uma ão adicional, referente deficiência no dispositivo mecânico resultante. Tais deficiências podem ser supridas nos siste- mas mecatrônicos por meio do projeto de controle. Cabe observar que a deficiência no projeto</p><p>24 Princípios de mecatrônica mecânico pode também resultar da falta de conhecimento da pessoa envolvida no projeto 2.4.3 PRO (esse aspecto será discutido adiante, em item específico). Tome-se como exemplo o projeto de PERI um sistema de posicionamento. Se, em virtude de deficiências no projeto mecânico, a parte mecânica apresentar elevado atrito ou deformação, o problema eventualmente poderá ser A Figura 2.9 es corrigido no projeto na forma de sistema mecatrônico. O erro de posicionamento resultante de respondentes dos atrito nas partes móveis é monitorado por um sensor, cujo sinal é então tratado com base numa universo dos cont estratégia de controle em que se gera um sinal que, ao ser enviado ao atuador, produz uma necessários conhe ação que corrige o erro. Podem-se assim atingir resultados comparáveis aos obtidos somente e computação. As com um projeto o esquema a segu primeira análise, Simplificar o projeto mecânico e suprir, por meio do controle, as deficiências decorrentes extraordinariamen dessa simplificação: existem situações em que a tentativa de atender aos requisitos somente de equipe com por meio do projeto mecânico implica dispêndio de esforço muito grande, tanto na própria atividade de projeto como na fabricação. Nesse caso, há a possibilidade de simplificar Esse problema, projeto mecânico e suprir as deficiências, nas partes mecânicas, decorrentes da simplifi- concepção de siste cação em um projeto do controle. A opção por essa alternativa depende de uma análise nhecimento enume comparativa entre as soluções possíveis, em que se leva em conta, por exemplo, o custo de desenvolver um final do dispositivo. Ocorre, porém engenharia mecân Simplificar a atividade de projeto como um todo: outra característica do projeto de sistemas o qual permite mecatrônicos consiste nas especializações geradas pelo projeto. Assim, o desenvolvimento nível de do projeto mecânico gera basicamente como especificação material a ser empregado e a nico exige, entre geometria dos elementos constituintes da parte mecânica do dispositivo eis a totalidade das especificações geradas no projeto de um sistema mecânico tradicional. No caso de um sistema mecatrônico, soma-se a isso conjunto de especificações geradas pelo projeto do controle, relativas a sensores, atuadores, controlador e estratégias de controle. No caso da Re necessidade de um reprojeto, em face da constatação de que os requisitos de projeto não de estão sendo atendidos ou de uma alteração nesses requisitos, as especificações como material e geometria não são fáceis de alterar, pois implicam mudanças, por exemplo, no processo de fabricação. O mesmo não ocorre com respeito às especificações relativas a sensores, atuadores e controlador. Tais elementos já se encontram disponíveis no mercado em grande variedade, não havendo a necessidade de projeto e fabricação. Mas a diferença maior do projeto de um sistema mecatrônico decorre da especificação referente à estratégia de controle. O reprojeto poderá eventualmente ser realizado por meio de uma simples alteração na estratégia de con- trole, que na prática pode ser um programa de computador. Criatividade Unir a melhor tecnologia mecânica existente com a melhor tecnologia de controle e conceber dispositivos capazes de superar o desempenho obtido somente pelo emprego da tecnologia mecânica: a execução de um projeto de um sistema mecatrônico com a aplicação da melhor Cine tecnologia mecânica e de controle existente permite a concepção de novos dispositivos, capazes Dina de executar funções com um desempenho impossível de ser obtido apenas por intermédio de Res um projeto mecânico. Tribo Tern O elenco de possibilidades enumeradas pode servir de base para a escolha e a adoção de uma Mec concepção mecatrônica no início do projeto de um sistema para fins mecânicos. Pode, ainda, ser uti- Tecr lizado na formulação de diretrizes gerais para a revisão das soluções na forma de sistemas mecânicos passivos. Acredita-se que sejam muitos os sistemas mecânicos passivos que, se reprojetados na forma Eco de sistemas mecatrônicos, resultarão em um dispositivo ou equipamento mais interessante do ponto de vista do desempenho e do custo. Vale observar que fica implícita nesta discussão a possibilidade de chegar à conclusão de que, dependendo do problema, o projeto na forma de sistema mecânico passivo é a melhor solução. Figura 2.9 Proje</p><p>Capítulo 2 Concepção de sistemas mecatrônicos 25 envolvida no projeto 2.4.3 PROJETO DE UM SISTEMA MECATRÔNICO E exemplo projeto de PERFIL DE CONHECIMENTOS jeto mecânico, a parte atualmente poderá ser A Figura esquematiza projeto de um sistema mecatrônico. Comparado aos esquemas cor- onamento resultante de respondentes dos sistemas mecânicos tradicionais, nota-se uma drástica diferença com relação ao com base numa universo dos conhecimentos Além das ciências básicas da engenharia mecânica, são atuador, produz uma necessários conhecimentos em teoria de controle e em ciências básicas da engenharia de eletricidade is aos obtidos somente e computação. As grandes potencialidades dos sistemas mecatrônicos já foram expostas, no entanto o esquema a seguir evidencia um novo problema: projeto de sistemas mecatrônicos requer, em primeira análise, um conhecimento extremamente amplo, impondo, dessa maneira, uma formação eficiências decorrentes extraordinariamente abrangente do projetista em termos de áreas de conhecimento, ou um trabalho aos requisitos somente de equipe com profissionais de formação multidisciplinar. rande, tanto na própria lidade de simplificar o Esse problema, apesar de ser de difícil solução, não compromete a validade do projeto segundo a lecorrentes da simplifi- concepção de sistema mecatrônico. Evidentemente, um indivíduo que domine todas as áreas do CO- nhecimento enumeradas na Figura 2.9 e que seja dotado de excepcional capacidade criativa será capaz epende de uma análise de desenvolver um sistema mecatrônico com capacidades funcionais igualmente excepcionais. por exemplo, custo Ocorre, porém, que, mesmo havendo deficiência de conhecimento em alguns dos assuntos de engenharia mecânica, ela pode ser compensada pelo bom conhecimento sobre a teoria de controle, do projeto de sistemas qual permite chegar a um projeto que atenda satisfatoriamente a necessidades com considerável .im, o desenvolvimento nível de complexidade. Um exemplo concreto é visto no relógio. Um bom projeto de relógio mecâ- ial a ser empregado e a nico exige, entre outros, fortes conhecimentos de cinemática, dinâmica, tribologia e tecnologia de itivo eis a totalidade No caso de um geradas pelo projeto do le controle. No caso da Forma geométrica Requisitos equisitos de projeto não PROJETO de projeto ificações como material xemplo, no processo de Material ANÁLISE vas a sensores, atuadores E lo em grande variedade, SÍNTESE maior do projeto de um de controle. O reprojeto na estratégia de con- Estratégia de processamento Criatividade de sinais a de controle e conceber emprego da tecnologia m a aplicação da melhor Teoria de Controle dispositivos, capazes Dinâmica Eletrônica (analogica/digital) ipenas por intermédio de Resistência dos materiais Computação (hardware) Tribologia Computação (software) Termodinâmica Acionamento elétrico :olha e a adoção de uma Mecânica dos fluidos Pode, ainda, ser uti- Tecnologia de fabricação de sistemas mecânicos Ciência dos materiais se reprojetados na forma Economia ais interessante do ponto CONHECIMENTOS discussão a possibilidade ma de sistema mecânico Figura 2.9 Projeto de um sistema mecatrônico.</p><p>26 Princípios de mecatrônica fabricação, os quais podem ser dispensados em grande medida quando se adota o conceito de sistema trole. Descreveu-se mecatrônico, cujo resultado é o relógio a quartzo, em que o movimento do ponteiro é comandado discutiram-se as pc com base no período de pulsação elétrica de um oscilador de cristal de quartzo, e não mais por um sistema mecânico oscilador mecânico. A exatidão da marcação de tempo do relógio a quartzo é comparável se não projeto dos sistema superior à dos melhores relógios mecânicos. sistemas mecânico O fato de projeto de um sistema mecatrônico permitir deficiências em conhecimentos pode servir de base para a formulação e a viabilização de um novo currículo para o curso de engenharia mecatrônica. Isso pode ser observado no projeto pedagógico para curso de engenharia de controle REFERÊNCIAS e automação de Universidade Estadual de Campinas Unicamp onde uma parte do currículo atual enfatiza a formação em assuntos relativos à engenharia mecânica (Rosário, 2001). Acar, M. "Mechatronic Cabe adicionalmente observar outro aspecto com relação ao perfil de conhecimentos, que também rence, Budapeste, 199. pode servir de base alternativa para a formulação de um curso de engenharia mecatrônica. Atualmente, Araujo, S. Modelage mercado oferece uma variedade cada vez maior de sistemas computacionais de auxílio no projeto aplicado a uma platafo e na especificação de partes mecânicas e eletrônicas, assim como na de sistemas de controle. A cada Unicamp, Campinas, 1 nova versão, esses sistemas apresentam melhor desempenho, que permite cálculos mais precisos R. C. Robots an e maior facilidade na sua utilização. Além disso, eles possibilitam ao engenheiro lidar somente com Bittar, R. C. S. M. A util as leis básicas, dispensando-o da habilidade no uso de ferramentas matemáticas específicas e na dade de Engenharia Me execução de cálculos extensos e complexos. Ao lado dos sistemas computacionais, observa-se a Bolton, W. Mechatronic maior variedade de produtos disponíveis no mercado que podem ser empregados na composição nical, 1995. de um sistema mecatrônico trata-se de componentes como atuadores, sensores, mecanismos e controladores que são produzidos e comercializados acompanhados das respectivas especificações. Castrucci, P. B. L. O uso desses artefatos dispensa o engenheiro da tarefa de projetar isoladamente cada componente. Dalbo, R. F. Simgraf: un Assim, engenheiro que dispõe dos sistemas computacionais mencionados e dos componentes de utilizando o Grafcet. D mercado terá, em um caso extremo, somente a tarefa de integrar os componentes e avaliar o compor- Distefano, Sistemas tamento global do sistema. Ao mesmo tempo, conhecimento das leis básicas, dos assuntos relativos Dorf, C. R.; Bishop, R. à integração e à avaliação global de um sistema mecatrônico se torna essencial para o perfil de CO- Georgini, J. M. Element nhecimentos no projeto de sistemas mecatrônicos. Almejar a formação desse tipo de engenheiro seria mestrado Faculdade de extrema importância para a formulação de uma grade curricular de engenharia mecatrônica. Gomide, A. C.; Andra Essa conduta de projeto de sistema mecatrônico está aberta a discussões. Um dos questionamentos Groover, M. P. Automa. se refere ao uso de sistemas computacionais sem o conhecimento do processo matemático utilizado Hall, 1980, no seu interior. Todo o processo de cálculo em engenharia envolve a adoção de um conjunto de Hunter, Automated hipóteses, e somente os problemas que nelas se enquadram podem ser resolvidos com precisão por Kuo, B. C. Automatic meio desse processo e pode-se dizer mesmo com relação aos sistemas computacionais. Em- bora se espere que o fabricante assegure aos sistemas computacionais uma capacidade de impedir Ogata, K. Modern contr a ocorrência dos problemas mencionados, o ideal é que o usuário do sistema computacional tenha Rosário, J. M. Projeto pe capacidade de detectar se o sistema é adequado à solução do problema em questão. Discussão similar Mecânica, Unica pode ser conduzida com respeito à utilização de componentes de mercado. Salminen, V. "Ten years Contudo, é importante observar que essa é a única forma de viabilizar o projeto de um sistema mechatronics, 1, n. 2, mecatrônico, especialmente os de grande porte, por um único indivíduo. A despeito da evidente Santos, H. necessidade no mundo atual de especialistas nessa área, não há ainda consenso quanto aos co- Silveira, P.R.; Santos, W nhecimentos necessários para a elaboração do projeto de um sistema mecatrônico. Isso pode ser Stefani, R. T. et al. Desig observado pela diversidade de modelos adotados nos cursos de engenharia mecatrônica em vários Vendrameto, O. Bases países (Salminen, 1996; Asfahl, 1995; Acar, 1994). Universidade de São Pau Wilkie, J.; Johnson M.; K CONCLUSÃO Wolovich, W. A. Automa Neste capítulo foi apresentada uma classe de dispositivos denominados sistemas mecatrônicos que resulta da conjunção da tecnologia mecânica tradicional com técnicas de eletrônica e de con-</p><p>Capítulo 2 Concepção de sistemas mecatrônicos 27 10 conceito de sistema trole. Descreveu-se a arquitetura básica que caracteriza um sistema mecatrônico e, a partir dela, é comandado discutiram-se as possíveis vantagens da concepção de um sistema mecatrônico em relação à de um zo, e não mais por um sistema mecânico tradicional. Foram também descritas as características quanto à metodologia de comparável - se não projeto dos sistemas mecatrônicos, por meio da comparação com a metodologia equivalente para sistemas mecânicos tradicionais. conhecimentos pode curso de engenharia engenharia de controle REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS parte do currículo 2001). Acar, M. "Mechatronics engineering education in the Joint Hungarian British International Mechatronics Confe- que também rence, Budapeste, 1994, p. 763-769. Atualmente, Araujo, Modelagem e descrição da parte comando de um sistema automatizado de produção utilizando o Grafcet is de auxílio no projeto aplicado a uma plataforma industrial em automação. Dissertação de mestrado Faculdade de Engenharia Mecânica, has de controle. A cada Unicamp, Campinas, 1997. cálculos mais precisos Asfahl, R. C. Robots and manufacturing automation. 2. ed. Nova York: John Wiley & Sons, 1992. eiro lidar somente com Bittar, R. C. S. M. A utilização do Grafcet como ferramenta na automação industrial. Dissertação de mestrado Facul- áticas específicas e na dade de Engenharia Mecânica, Unicamp, Campinas, 1993. acionais, observa-se a Bolton, W. Mechatronics: electronic control systems in mechanical engineering. Inglaterra: Longman Scientific & Tech- na composição nical, 1995. ensores, mecanismos e Castrucci, P. B. L. Controle automático: teoria e projeto. São Paulo: Edusp, ectivas especificações. ente cada componente. Dalbo, R. F. Simgraf: um ambiente computacional para simulação e validação de sistemas automatizados de produção utilizando o Dissertação de mestrado Faculdade de Engenharia Mecânica, Unicamp, Campinas, 1994. e dos componentes de tes e avaliar o compor- Distefano, Sistemas de retroação e controle. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1978. dos assuntos relativos Dorf, C. R.; Bishop, R. H. Sistemas de controle modernos. Rio de Janeiro: LTC, 2002. cial para o perfil de Georgini, M. Elementos para estruturação e implementação de sistemas automatizados de produção. Dissertação de ipo de engenheiro seria mestrado Faculdade de Engenharia Mecânica, Unicamp, Campinas, 1999. haria mecatrônica. Gomide, A. C.; Andrade Netto M. L. Introdução à automação industrial informatizada. Buenos Aires: Kapelusz, 1987. m dos questionamentos Groover, M. P. Automation, production systems, and computer integrated manufacturing. Englewood Cliffs: Prentice o matemático utilizado Hall, 1980. :ão de um conjunto de Hunter, R. P. Automated process control systems: concepts and hardware, 2. ed. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1987. vidos com precisão por Kuo, B. C. Automatic control systems, 4. ed. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1982. computacionais. Em- capacidade de impedir Ogata, K. Modern control engineering. Englewood Cliffs: Prentice Hall, a computacional tenha Rosário, M. Projeto pedagógico do curso de engenharia de controle e automação: mecatrônica. Faculdade de Enge- estão. Discussão similar nharia Mecânica, Unicamp, Campinas, 1991. Salminen, V. "Ten years of mechatronics research and industrial applications in Finland", & ASME transactions on projeto de um sistema mechatronics, 1, n. 2, 1996, p. 103-105. A despeito da evidente Santos, H. Automação industrial. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e 1979. quanto aos Silveira, P. R.; Santos, W. G. Automação e controle São Paulo: Érica, 2000. :atrônico. Isso pode ser Stefani, R. T. et al. Design of feedback control systems. Flórida: Saunders College Publishing, 1994. mecatrônica em vários Vendrameto, O. Bases de conhecimento para a automação da manufatura. Tese de doutorado Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Engenharia de Produção, São Paulo, 1994. Wilkie, M.; Katebi, R. Control engineering: an introductory course. Nova York: Palgrave, 2002. Wolovich, W.A. Automatic control systems: basic analysis and design. Oxford: Oxford University Press, 1994. ; sistemas mecatrônicos de eletrônica e de con-</p><p>CAPÍTULO 3.1 IN Na economia vos físicos. A cap indústria, ao aten de produção, e, S 3 As aplicações com estrutura de especificação de INTEGRAÇÃO deverá escolher u tempos de respos validar um mode DE SISTEMAS análise estruturad Neste AUTOMATIZADOS de sistemas discre sistemas automati utilização de CLP 3.1 Introdução 3.2 SI 3.2 Sistemas produtivos Grandes avanç 3.3 A automação no Brasil período, a automa 3.4 Sistemas automatizados - conceitos e definições A automação r produção é fixa, V 3.5 Elementos de um sistema automatizado A automação f 3.6 Norma internacional IEC 61131-3 informática e a el aliada à flexibilida 3.7 Grafo de comando etapa e transição (Grafcet) multaneamente 3.8 Elementos do Grafcet Por fim, a autc 3.9 Regras de evolução do Grafcet produção ser para a fabricação No setor de prc e de Comando Nu tinha como princi ritária a CAM, em máquina Nos anos 90, a au executar um simp uma maior integra redes de comunica Conhecer a estrutura básica de cada bloco que compõe um sistema dos setores e o flu: automatizado, com suas particularidades e funções desempenhadas, auxilia na configuração e na escolha de equipamentos mais adequados A automação para a implementação de um sistema desse tipo. iniciam com a ide caminhadas ao ch Neste capítulo são abordados alguns conceitos básicos concernen- tes aos sistemas automatizados, com ênfase nos principais elementos procedimento já escolha do modelo que descrevem a parte operativa e a parte de comando de um sistema automatizado industrial. Para integrar to deve ser</p><p>Capítulo 3 Integração de sistemas automatizados 29 3.1 INTRODUÇÃO Na economia globalizada, a criatividade e a flexibilidade contam mais do que controle de ati- vos físicos. A capacidade de identificar novas necessidades e de lhes dar resposta é relevante. Uma indústria, ao atender a novas necessidades, terá com certeza de modificar, modernizar seu método de produção, e, sem dúvida, um dos caminhos para isso é a automação. As aplicações voltadas para a área de mecatrônica direcionam projeto de sistemas automatizados com estrutura de controle e arquitetura de comando distribuída e requerem, na sua concepção, a especificação de uma arquitetura de comando. Assim, durante a fase inicial de projeto, o projetista deverá escolher uma arquitetura de comando que atenda aos pré-requisitos funcionais, tais como os tempos de resposta do sistema. Nesse contexto, diferentes metodologias podem ser utilizadas para validar um modelo de arquitetura de comando distribuído por meio da construção de modelos de análise estruturada e de sua posterior implementação num controlador lógico programável (CLP). Neste capítulo são apresentados conceitos teóricos e definições básicas referentes à modelagem de sistemas discretos e contínuos, com ênfase na utilização dessas ferramentas para modelar e integrar sistemas automatizados mediante emprego do Grafcet (grafo de comando etapa e transição) e na utilização de CLPs industriais. 3.2 SISTEMAS PRODUTIVOS Grandes avanços foram conquistados nas últimas décadas com relação ao sistema de produção. Nesse período, a automação industrial foi dividida em três classes: a rígida, a flexível e a programável. A automação rígida é usada quando o volume de produção é muito elevado; nesse caso, a linha de nições produção é fixa, voltada apenas para a concepção de determinado tipo de produto. A automação flexível é decorrente da junção da mecânica com o tratamento da informação pela informática e a eletrônica. É voltada para um volume de produção médio, em que a automação, aliada à flexibilidade, possibilita a automatização de indústrias que fabricam diversos produtos si- multaneamente com o mesmo sistema de produção. Por fim, a automação programável diferencia-se da flexível, entre outros motivos, pelo fato de a produção ser efetuada em pequenos lotes, o que demanda que o equipamento seja reprogramado para a fabricação de um novo lote. No setor de produção industrial, nos anos 70, o objetivo era efetuar a automação de tarefas, robôs e de Comando Numérico Computadorizado (CNC), uma combinação de hardware e software que tinha como principal objetivo aumento da flexibilidade do sistema. Na década seguinte era prio- ritária a automação dos processos, e a conexão das tarefas individuais resultou nos processos CAD, CAM, em máquinas CNC e FMS. Foi uma época de grandes avanços na modernização das indústrias. Nos anos 90, a automação das fábricas envolvia a automação de vários processos, que passaram a executar um simples processo em cadeia, de acordo com um modelo preestabelecido, envolvendo uma maior integração de componentes eletrônicos (VLSI) e microcontroladores e a integração de redes de comunicação ao sistema. A descentralização tem melhorado a interdependência de controle que compõe um sistema dos setores e o fluxo de produção e gerência da fábrica. desempenhadas, mais adequados A automação é introduzida em termos de transformação dos processos em cadeia, os quais se iniciam com a identificação da necessidade dos consumidores. Depois essas informações são en- ipo. caminhadas ao chão-de-fábrica e voltam para os consumidores como o produto final desejado. Tal eitos básicos concernen- procedimento já vem sendo adotado pela maioria dos fabricantes automobilísticos, que permitem a principais elementos escolha do modelo e dos acessórios do automóvel desejado por meio de pedido feito pela Internet. comando de um sistema Para integrar todo sistema de produção, deve-se primeiro relatar a em que a automação deve ser implementada e, em seguida, analisar quais tecnologias precisam ser utilizadas na integra-</p><p>30 Princípios de mecatrônica ção. O processo deve seguir seu curso natural, com a supressão das tarefas de inspeção, controle e Para DeMarco ( planejamento, que não adicionam valor à matéria-prima que será relacionadas entre Nesse fluxo ainda são anulados tanto os controles desnecessários como as verificações e as inter- De um ponto d- ferências nos níveis gerenciais. Isso é realizado por meio da combinação inteligente de equipamentos elementos dinamic computadorizados e de tecnologia de informação, não somente no chão de mas também objetivo, operando na gerência. Cabe ressaltar, portanto, que, para o sucesso dessa implementação, é indispensável energia ou matéria capacitar os recursos humanos. 1. Fronteiras: A automação industrial é o que se poderia chamar de tecnologia integradora de três áreas: a imaginária eletrônica, em que se tem uma plataforma eletrônica com o uso de um hardware; a mecânica, na 2. Subsistemas forma de dispositivos mecânicos (atuadores), e a informática, em que são feitas as programações das operações, o gerenciamento e a comunicação envolvidos (software). 3. Entradas: re 4. Saídas: repr 3.3 A AUTOMAÇÃO NO BRASIL 5. Processame si para conv No Brasil, a modernização da indústria é bem recente, se comparada à de outros países. A indus- 6. Retroação ( trialização brasileira teve início no começo do século XX, e o grande impulso foi dado durante os para ajustá- anos 40 e 50, quando várias ações governamentais estimularam a industrialização do país. No final da década de 70, o Brasil era a oitava economia do mundo; porém, no início dos anos 3.4.2 SIM 80, sofreu forte recessão acompanhada de alta inflação. No mesmo período, assistiu-se ao advento Segundo David da era eletrônica. No entanto, as leis brasileiras de proteção, além de impedir a entrada dessas tec- modelo de nologias, não investiram no desenvolvimento da tecnologia nacional. Foi só nos anos 90 que o Brasil o comportamento abriu sua economia e a estabilização econômica tornou-se uma realidade. mulação como a Atualmente a indústria brasileira está diante de problemas de competição internacional, obsoles- num modelo cência e inadequação de recursos humanos este último se constitui no principal obstáculo para a modernização do parque industrial brasileiro. Muitas indústrias, por questão de sobrevivência, para proje buscam modernizar métodos e equipamentos. Nesse contexto, já existe um certo consenso de que na a indústria nacional precisa reestruturar-se e capacitar-se para competir no mercado internacional quando a e: e também no nacional, devido à facilidade de ingresso de produtos estrangeiros, estimulado pela globalização da economia. para compr consumidor também passou a exigir maior qualidade dos produtos, razão pela qual a produtivi- para dade e a qualidade passaram a figurar como alvos dos sistemas produtivos e são entendidas hoje como a única forma de obter competitividade e sobreviver em um mercado livre, em que consumidor é para treinan a figura principal. Diante dessa situação, a manufatura ocupa lugar de destaque nesse ambiente e a A modelagem d automação se constitui em um meio de obter qualidade e produtividade. em uma forma dife um conjunto de inf No sentido liter 3.4 SISTEMAS AUTOMATIZADOS como a representa CONCEITOS E DEFINIÇÕES Para Ross processo. Assim, p xidade ou da estru 3.4.1 BÁSICOS DE SISTEMA então, seria a repre Para a modelagem de um sistema, torna-se necessário entender conceito de sistema, assim como Os modelos p seus limites. Segundo Castrucci (1981) e David e Alla (1992), um sistema é qualquer coleção de in- teração de elementos que funciona para alcançar um objetivo comum e que evoluiu com o tempo. na análise do siste De acordo com a definição acima, aquilo que pode ser definido como sistema num contexto pode entidades e ser apenas um componente de um outro sistema, dando origem ao conceito de subsistema. Assim, o uni- Como exemplo verso parece estar formado de conjuntos de sistemas, cada qual contido em um outro ainda maior. de administração,</p><p>3 Integração de sistemas automatizados inspeção, controle e Para DeMarco (1979), sistema seria um conjunto complexo de coisas diversas que, ordenadamente da. relacionadas entre si, contribuem para determinado objetivo ou propósito. verificações e as inter- De um ponto de vista mais prático, Gane e Sarson (1979) definem sistema como um conjunto de elementos dinamicamente relacionados entre si que desempenham uma atividade para atingir um ente de equipamentos mas também objetivo, operando sobre entradas (informação, energia ou matéria) e fornecendo saídas (informação, ação, é indispensável energia ou matéria) processadas. Nesse caso, os principais componentes de um sistema são: 1. Fronteiras: limites do sistema, que podem ter existência física ou apenas uma delimitação de três áreas: a imaginária para efeito de estudo. ware; a mecânica, na 2. Subsistemas: elementos que compõem o sistema. as programações das 3. Entradas: representam os insumos ou as variáveis independentes do sistema. 4. Saídas: representam os produtos ou as variáveis dependentes do sistema. 5. Processamento: engloba as atividades desenvolvidas pelos subsistemas que interagem entre si para converter entradas e saídas. outros países. A indus- 6. Retroação (feedback): é a influência que as saídas do sistema exercem sobre suas entradas foi dado durante os para ajustá-las ou regulá-las ao funcionamento do sistema. ração do país. ém, no início dos anos 3.4.2 SIMULAÇÃO E MODELAGEM DE SISTEMAS AUTOMATIZADOS assistiu-se ao advento Segundo David (1991), a simulação de um sistema pode ser definida como a capacidade de pro- a entrada dessas tec- jetar modelo de um sistema real e conduzir experimentos com esse modelo a fim de compreender os anos 90 que Brasil o comportamento do sistema e avaliar estratégias para sua operação. DeMarco (1979) define si- mulação como a técnica de resolver problemas seguindo as variações ocorridas ao longo do tempo internacional, obsoles- num modelo dinâmico do sistema. A simulação de sistemas normalmente é utilizada: incipal obstáculo para stão de sobrevivência, para projeto de sistemas ainda não existentes; certo consenso de que na impossibilidade de realização experimental com sistema real; mercado internacional quando a experimentação utilizando o sistema real é indesejável; estimulado pela para compressão ou expansão da escala de tempo; o pela qual a produtivi- para avaliação do desempenho de sistemas; entendidas hoje como para treinamento e instrução. que o consumidor é que nesse ambiente e a A modelagem de um sistema pode ser definida como a representação de um objeto, sistema ou idéia em uma forma diferente da entidade propriamente dita. David (1991) define modelo de sistema como um conjunto de informações sobre um sistema coletado com o propósito de entender esse sistema. No sentido literal da palavra, modelo é a representação de alguma coisa. Pode ser definido também como a representação simplificada de um sistema com o propósito de estudá-lo. Para Ross (1977), um modelo é uma réplica ou uma abstração da característica essencial de um processo. Assim, problemas que desobedecem a soluções diretas por causa do tamanho, da comple- xidade ou da estrutura são avaliados por meio de modelos de simulação. Modelo, então, seria a representação simplificada de alguma parte da realidade de sistemas. de sistema, assim como Os modelos podem ser classificados como físico (escala natural e reduzida) e matemático qualquer coleção de in- (numérico/algorítmico). As principais etapas necessárias para a obtenção de modelos consistem evoluiu com o tempo. na análise do sistema (com a identificação de entidades, atributos etc.) e na simplificação (em que ema num contexto pode entidades e atributos irrelevantes são desconsiderados). subsistema. Assim, o uni- Como exemplo de aplicações de simulação de sistemas podemos destacar atividades nas áreas im outro ainda maior. de administração, economia, engenharias, biologia, medicina, informática e entretenimento. Como</p><p>32 Princípios de mecatrônica principais limitações estão (a) fato de os resultados serem dependentes dos estímulos (modelos A Figura 3.1 ap estocásticos e determinísticos); (b) possível custo elevado do desenvolvimento de bons modelos e são os dinâmicos (c) fato de a eventual falta de precisão/qualidade da modelagem fornecer valor das variáveis em por eventos discre todos os instantes de tempo. 3.4.4 VAN 3.4.3 MODELAGEM DE SISTEMAS As principais V Sistemas dinâmicos podem ser entendidos dentro da mecânica newtoniana clássica como 'for- dos custos, aum ças e energia produzindo um Dentro desse conceito, forças aplicadas a massas geram fim, o maior contr acelerações que definem os movimentos dos corpos no espaço; tais fenômenos são regidos por definido conforme equações diferenciais ou de diferenças, em que o tempo é a variável independente. Por analogia, estende-se termo a todos os fenômenos térmicos, químicos, fisiológicos, ecológicos etc. que também sejam regidos por equações do mesmo tipo. São sistemas como se fossem pelo (time-driven). No campo da automação, os sistemas dinâmicos estão relacionados com um conceito mais amplo da evolução de um fenômeno com o tempo. Eles se tornaram essenciais nas últimas décadas devido aos inúmeros e importantíssimos sistemas artificiais que não se podem descrever por meio de equações diferenciais ou de diferenças. São os sistemas de chaveamento manual ou automático, as manufaturas, as filas de serviços, os computadores etc. Sua estrutura impõe principalmente regras lógicas, de causa e e seus sinais são números naturais representantes de quantidade de recursos ou entidades. Trata-se de sistemas 'dinâmicos lato ou por (event-driven); Estatístico poderiam ser também chamados de logísticos. A Tabela 3.1 apresenta uma classificação das diferentes classes de sistemas dinâmicos. A maioria dos sistemas físicos reais é não-linear, mas muitos deles admitem aproximações lineares, especialmente quando os sinais de interesse são pequenas flutuações em torno de dados níveis de operação. Os sistemas a eventos são essencialmente não-lineares. Quanto à classificação dos sistemas em determinísticos ou estocásticos, estes últimos são carac- terizados pela presença de alguma variável ou de algum parâmetro, cuja definição exige estatística. É caso, por exemplo: a) do sinal de entrada contínuo no tempo, de origem atmosférica; b) do sinal de entrada discreto no tempo, em que os intervalos entre pulsos ou impulsos suces- sivos são aleatórios, como a chegada de clientes a uma fila de serviço; c) de alguma transmissão interna alterada em face de probabilidades, como a parada da produção por falha de uma máquina e o retorno após o tempo de reparo. ACIONADOS POR TIPO DE SISTEMA DESCRICAO MATEMATICA Tempo Contínuo no tempo Equações diferenciais no tempo Tempo Discreto no tempo Equações diferenciais no tempo Álgebra de Boole, álgebra dióide, Eventos A eventos logísticos autômatos finitivos, redes de Petri, programas computacionais Tabela 3.1 Classes de sistemas dinâmicos. Figura 3.1 Clas</p><p>Capítulo 3 Integração de sistemas automatizados 33 estímulos (modelos A Figura 3.1 apresenta uma classificação de sistemas. Os sistemas de maior interesse em controle to de bons modelos e são os dinâmicos pelo e, em automação, os por sobretudo valor das variáveis em por eventos discretos, como descreve David e Alla (1992). 3.4.4 VANTAGENS DE SISTEMAS AUTOMATIZADOS As principais vantagens da automação são aumento da eficiência dos processos, a diminuição clássica como 'for- dos custos, aumento da competitividade e do nível de exigência, a melhoria da qualidade e, por cadas a massas geram fim, o maior controle e segurança da operação. De modo geral, um sistema automatizado pode ser enos são regidos por definido conforme apresentado na Figura 3.2. Por analogia, ecológicos etc. ecamente m um conceito mais is nas últimas décadas SISTEMAS m descrever por meio ou automático, principalmente regras quantidade de recursos ventos' (event-driven); Estatísticos Dinâmicos sificação das diferentes aproximações lineares, no de dados níveis de Acionados Acionados no tempo por eventos stes últimos são carac- nição exige estatística. Contínuos Discretos ou impulsos suces- no tempo no tempo ; ) a parada da produção Lineares Não-lineares MATEMATICA erenciais no tempo erenciais no tempo Determinísticos Estocásticos oole, álgebra dióide, nitivos, redes de Petri, Figura 3.1 Classificação geral de sistemas.</p><p>34 Princípios de mecatrônica Dispositivo de controle Matéria-pri Atuação Comando Processador de Atuador da tarefa comandos Objeto de controle Detector Sinal detectado Detecção Order Figura 3.2 Elementos básicos de um sistema automatizado. Figura 3.3 Sistem Para cada proce 3.5 ELEMENTOS DE UM SISTEMA AUTOMATIZADO comando disponívei tecnologias existente 3.5.1 DESCRIÇÃO DE SISTEMAS AUTOMATIZADOS e controladores Com as informa- A complexidade crescente dos sistemas automatizados implica grande dificuldade por parte do sobre o estado das usuário na definição clara, concisa e sem das especificações funcionais associadas a do qual pode recebe esses sistemas. E tal complexidade tende a aumentar com a utilização de um número elevado de sinalizações sonoras informações de entradas e Dessa forma, é necessário descrever sistema por meio de uma A primeira etapa ferramenta de descrição adequada. Atualmente, é necessário que essas linguagens sejam: modo que não fique do ponto de vista do homem, uma forma que expresse de modo natural a especificação do no qual deve preval sistema; detalhes nológica final do sis do ponto de vista do dispositivo de controle, uma descrição simples que seja fácil de ser as informações deve interpretada e executada. Para isso, a comu Com o objetivo de padronizar a linguagem na descrição dos sistemas automatizados, uma norma interpretação, e até n internacional (a IEC 61131-3), estabelecida pelo International Electrotechnical Commission, instituiu e decisões com múlt uma nomenclatura internacional para sistemas automáticos. Essa norma divide um sistema automa- e necessário, as tizado (SA) em duas partes distintas (Figura 3.3), a saber: que é mais fácil de S Parte operativa (PO): corresponde ao processo físico a automatizar que opera sobre a matéria- entendida por todos prima e o produto. É constituída pelos atuadores, que realizam as operações, agindo sobre Os sistemas auto componentes e dispositivos de automação, tais como válvulas, atuadores, motores, lâmpadas Automatismo etc. seja, as saídas Parte comando (PC): caracteriza-se por receber as informações vindas do operador e/ou do mente, func processo a ser controlado e por emitir informações ao sistema controlado, coordenando assim Automatismos as ações da parte operativa. do sistema. C saídas no tempo (t-1),</p><p>Capítulo 3 Integração de sistemas automatizados 35 Materia-prima Matéria-prima Parte operativa Retorno Objeto Atuadores (informações) Ordens de de comando Sensores controle Ordens Parte de comando Sinais Figura 3.3 Sistema automatizado parte operativa e comando. Para cada processo a ser controlado é necessário escolher, dentre as diferentes tecnologias de ATIZADO comando disponíveis, as mais adequadas e as que melhor se adaptam ao processo. Dentre as diversas tecnologias existentes, podemos citar comandos pneumáticos, hidráulicos, através de painéis de relés e controladores lógicos programáveis. Com as informações fornecidas pela parte operativa, mantém-se a parte comando informada ficuldade por parte do sobre o estado das operações. A parte comando pode trocar informações com o exterior do sistema, uncionais associadas a do qual pode receber indicações e ordens (botões de comando, chaves etc.) e ao qual pode fornecer m número elevado de sinalizações sonoras e/ou luminosas (buzinas, lâmpadas etc.). ema por meio de uma A primeira etapa do desenvolvimento de um sistema automatizado consiste em descrevê-lo de agens sejam: modo que não fique nenhuma dúvida sobre os objetivos a serem atingidos no projeto proposto, no qual deve prevalecer o conjunto, sem a preocupação de uma descrição imediata e precisa dos a especificação do detalhes tecnológicos, necessários somente no momento da análise de custos e implementação tec- nológica final do sistema de automação. É nessa etapa que surgem as maiores dificuldades porque S que seja fácil de ser as informações devem chegar ao projetista com todos os detalhes necessários. Para isso, a comunicação verbal não é a forma mais indicada porque pode levar a mais de uma interpretação, e até mesmo a informações ambíguas. Para sistemas complexos, com ações simultâneas matizados, uma norma e decisões com múltiplas possibilidades, deve-se evitar a utilização de textos. Sempre que possível I Commission, instituiu e necessário, as descrições de sistemas automatizados deverão ser representadas de forma gráfica, de um sistema automa- que é mais fácil de ser interpretada e executada. No entanto, encontrar uma forma que seja aceita e entendida por todos é muito opera sobre a matéria- Os sistemas automatizados podem ser classificados como: perações, agindo sobre motores, lâmpadas Automatismos combinatórios, em que o estado das saídas depende do estado das entradas, ou seja, as saídas são determinadas unicamente pelo estado corrente das entradas. Conseqüente- mente, o funcionamento do sistema não depende do tempo, conforme mostra a Figura 3.4a. as do operador e/ou do do, coordenando assim Automatismos em que o estado das saídas depende do estado atual das entradas do sistema. O funcionamento depende do seu passado. Conseqüentemente, o estado das saídas no instante t é função do estado das entradas nesse tempo e dos estados das saídas no tempo (t-1), conforme se vê na Figura 3.4b.</p><p>36 Princípios de mecatrônica o comportamento C ligado ao seu ciclo operação e transfor elemento Saídas = fn (entradas) de inspeção, repar grandes alturas nas Entradas Saídas talares, por exemp Sistema completa ou parcia à vida do que simp a) Automatismos combinatórios Entretanto, ness tensão da capacida confiabilidade etc. vez de uma 'mode como controlabilio Saídas[t] = fn (entradas, saídas[t-1]) A e instrumentos de controláveis e Entradas Sistema Saídas[t] Saídas[t-1] ou forçar aqueles ( em que eventos sã Atraso que antecipam as implicam a interru b) Automatismos seqüenciais respeito (no caso C mas, as quais não contínuas. Associa Figura 3.4 Classificação dos sistemas automatizados. não controláveis, ações de considerados dese 3.5.2 LINGUAGENS UTILIZADAS PARA A MODELAGEM em cada DE SISTEMAS AUTOMATIZADOS Os aspectos de modelados, simula Uma linguagem para a modelagem de sistemas é o meio pelo qual se expressam modelos, tendo como principal objetivo a descrição de sistemas. Suas principais características são: leva à mudança de de que sistemas a) possuir uma base formal, visando obter uma interpretação exata e precisa; as devidas b) apresentar clareza, visando facilitar a comunicação entre todos os envolvidos numa mode- ações lagem; A maneira mai c) possibilitar a construção de modelos que obedeçam aos requisitos de conceitualização (ape- portamento ou o sistema, incluing nas as propriedades desejadas do sistema modelado) e de totalidade (todas as propriedades evolução desses e desejadas do sistema modelado). arco direcionado É comum encontrar nos sistemas componentes que apresentem atividades concorrentes ou parale- Essa forma picto las. Nesse sentido, as redes de Petri consistem em uma linguagem de modelagem que foi desenvolvida e talvez mais fácit especificamente para modelar sistemas discretos com componentes que interagem concorrentemente do sistema e sobre (Peterson, 1981; Agervala, 1974). seu Sistemas a eventos discretos (SED) são aqueles cujas variáveis de estado mudam só num conjunto Um autômato discreto de pontos no tempo. Um banco é um exemplo de sistema discreto porque a variável de como o estado in estado ou seja, o número de clientes no banco se altera só quando um cliente chega ou quando processo (ou de to o serviço prestado a um cliente é concluído. eventos denotado A motivação para métodos matemáticos para representação, especificação, design, mode- identificado como lagem e simulação de sistemas discretos está associada à necessidade de estabelecer limites e prever desse alfabeto.</p><p>Capítulo 3 Integração de sistemas automatizados 37 o comportamento dos sistemas, notadamente os automatizados. Tal comportamento está intimamente ligado ao seu ciclo de vida e à sua utilidade, quer seja como extensão da capacidade humana de operação e transformação de objetos (manufatura), quer seja como forma de substituir completamente o elemento humano em atividades perigosas, como a manutenção de centrais nucleares, as operações de inspeção, reparos, soldagem em grandes profundidades, ou mesmo a manipulação de carga em grandes alturas nas construções civis, ou ainda os sistemas de coleta de dados em ambientes hospi- talares, por exemplo. Eis aqui alguns exemplos simples e intuitivos de casos em que a substituição completa ou parcial do homem pelos sistemas automatizados remete mais à segurança e ao respeito à vida do que simplesmente ao desemprego. Entretanto, nessas atividades, bem como nos sistemas antropocêntricos, em que forte é a ex- tensão da capacidade humana com a melhora da precisão de intervenção, capacidade de repetição, confiabilidade etc., torna-se necessário que o processo de automatização represente um avanço, em vez de uma 'modernização reflexa', como citado pelo sociólogo Darcy Ribeiro. Para isso, fatores como controlabilidade e previsibilidade devem ser considerados. A controlabilidade está associada à capacidade de relacionar causa e efeito, envolvendo planta e instrumentos de controle. Está também ligada à capacidade de prever a ocorrência de eventos não controláveis e antecipar sua ocorrência com bloqueio de eventos que exacerbem seus efeitos, ou forçar aqueles que anulem ou minimizem tais efeitos. Esse é caso dos sistemas de segurança, em que eventos são forçados ante a ocorrência de estados considerados indesejáveis, tais como os que antecipam as perdas de energia (elétrica) ou vazamentos e que, no caso de sistemas industriais, implicam a interrupção do processo e a suspensão das atividades. Portanto, a controlabilidade diz respeito (no caso dos sistemas discretos) às relações existentes entre estados identificáveis dos siste- mas, as quais não podem ser classificadas por funções, nem de variáveis discretas nem de variáveis contínuas. Associada a esse fato está a possibilidade de prever não somente a existência dos eventos não controláveis, mas os pontos em que eles se manifestam de forma decisiva, e, assim, desencadear ações de prevenção de falhas maiores. No planejamento estipulam-se as atividades ou os estados considerados desejáveis e sua de ocorrência, isto é, os processos que devem ser reforçados em cada instante. Os aspectos de controlabilidade e de previsibilidade só podem ser devidamente representados, modelados, simulados ou mesmo provados de maneira formal se a relação de causa e efeito que essam modelos, tendo leva à mudança de estados for matematicamente representada, segundo paradigma já conhecido is são: de que sistemas artificiais de engenharia controláveis podem ser representados na totalidade (com :isa; as devidas restrições ao significado atribuído à completude) por um sistema de estados, eventos ou volvidos numa mode- ações representáveis pela mudança de um estado para o outro, A maneira mais direta de representar formalmente um sistema controlável é mapear seu com- portamento ou pelo menos os processos principais com autômatos finitos. Nesse caso todo (ape- o sistema, incluindo as suas partes, é considerado uma representação única, chamada estado, e a todas as propriedades evolução desses estados isto é, a transição de um estado para outro é representada por um arco direcionado ligando-os. oncorrentes ou parale- Essa forma pictórica de representar a evolução dos estados é somente uma representação alternativa n que foi desenvolvida e talvez mais fácil de interpretar (em face de uma comunicação quase subliminar sobre a evolução concorrentemente do sistema e sobre o conceito de processo). Entretanto, a formalização mais acabada do sistema e seu funcionamento está associada à definição do que se conhece como autômato. idam só num conjunto Um autômato finito é definido como um conjunto finito de estados, um dos quais é identificado porque a variável de como o estado inicial, e um outro (eventualmente nenhum) como o final, associado ao final do ente chega ou quando processo (ou de todos os processos representados). Também é parte do autômato um conjunto de eventos denotados por letras de um determinado alfabeto. Nesse caso, um processo inicialmente ficação, design, mode- identificado como uma de eventos pode ser associado a strings, formadas por letras elecer limites e prever desse alfabeto.</p>