MECATRÔNICA ATUAL Nº1/OUTUBRO-NOVEMBRO/20018

ESPECIAL

INTRODUÇÃO

O mundo vem presenciando nosúltimos anos o avanço vertiginoso daMicroeletrônica, num ritmo que até omomento não tem dado sinais dedesaceleração. Como resultado, sãoobtidos circuitos eletrônicos cada vezmais rápidos e poderosos, mas para-doxalmente cada vez menores, maisbaratos e econômicos. Associados di-retamente à Microeletrônica, o com-putador digital e as Ciências da Com-putação também se desenvolvem ra-pidamente, num círculo virtuoso emque computadores mais poderososfavorecem o desenvolvimento de apli-cações mais complexas, que por suavez exigem cada vez mais podercomputacional.

Apesar desses resultados estaremcausando uma ampla revoluçãotecnológica na Engenharia e nasociedade em geral, quando são asso-ciados à sistemas mecânicos é que se

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

Não é de hoje que componenteseletrônicos (tais como sensores,atuadores eletro-mecânicos e circui-tos de controle) são utilizados no con-trole e acionamento de sistemas me-cânicos. No entanto, foi o recente de-senvolvimento dos circuitos integradosque possibilitou a produção em largaescala e baixo custo de micropro-cessadores dedicados conhecidoscomo microcontroladores. Hoje essesdispositivos eletrônicos estão presen-tes não apenas em máquinas e equi-pamentos industriais mas também nosautomóveis, nas máquinas de lavarroupas, nos sistemas de ar condicio-nado, aparelhos de vídeo, etc. Os sis-temas mecânicos sofreram profundasmodificações conceituais com a incor-poração da capacidade de proces-samento, o que permitiu torná-los maisrápidos, eficientes e confiáveis, a cus-tos cada vez menores.

No Japão, a combinação bem su-cedida de Mecânica, Eletrônica eProcessamento Digital em produtos deconsumo recebeu o cognome deMecatrônica no final da década de 70.A figura 1 representa de forma gené-rica um sistema mecatrônico. Ossensores captam as informações domundo físico que são processadasdigitalmente, resultando em ações decontrole. O sistema de controle agesobre o sistema físico através deatuadores. Disto resulta um sistemarealimentado, que pode representarsistemas com níveis variados de com-plexidade.

Essa combinação pode gerar umagama muito ampla de aplicações, detal forma que o termo Mecatrônicapode ser interpretado de formas dife-rentes dependendo da aplicação emquestão. Este artigo tem seu foco naAutomação Industrial, com particularênfase na indústria de manufatura.Este é o foco adotado no curso deEngenharia Mecânica com habilitaçãoem Automação e Sistemas da EscolaPolitécnica da USP (EPUSP), com oqual os autores se encontram envol-vidos (Cozman, 2000).

MECATRÔNICA

Muitos engenheiros consideramque a Mecatrônica surgiu com o de-senvolvimento dos robôs. Os projetosna área de Robótica impulsionaram odesenvolvimento de outras áreas, taiscomo o controle realimentado a partirda fusão de informações sensoriais,tecnologias de sensores e atuadores,

MECAMECAMECAMECAMECATRÔNICATRÔNICATRÔNICATRÔNICATRÔNICAUma AborUma AborUma AborUma AborUma Abordagem Vdagem Vdagem Vdagem Vdagem Voltada à Automação Industrialoltada à Automação Industrialoltada à Automação Industrialoltada à Automação Industrialoltada à Automação Industrial

A Mecatrônica pode ser definida como a integração de Me-cânica, Eletrônica e Computação de forma concorrente. Essacombinação tem possibilitado a simplificação dos sistemasmecânicos, a redução de tempos de desenvolvimento e custos,e a obtenção de produtos com elevado grau de flexibilidade ecapacidade de adaptação a diferentes condições de operação.Os conceitos de Mecatrônica podem ser empregados numa vastagama de aplicações, sendo que este artigo é focado na área deAutomação Industrial.

Julio Cezar AdamowskiProfessor Titular do Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos

Escola Politécnica da USP

Celso Massatoshi FurukawaProfessor Doutor do Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos

Escola Politécnica da USP

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ESPECIAL

programação de alto nível, cinemáticae dinâmica. O grande avanço na áreade Robótica somente foi possível como surgimento do microprocessador,pois o controle de trajetória dos robôsarticulados envolve cálculos complica-dos que devem ser realizados em tem-po real.

Segundo Schweitzer da ETH deZurich (1996), Mecatrônica é uma áreainterdisciplinar que combina a Enge-nharia Mecânica, a Engenharia Ele-trônica e Ciências da Computação.

Van Brussel, da Universidade Ca-tólica de Leuven (1996), consideraMecatrônica como a combinação deEngenharia Mecânica, Engenharia deControle, Microeletrônica e Ciência daComputação, numa abordagem de en-genharia concorrente, isto é, deve-seter uma visão simultânea das possibi-lidades nas diferentes disciplinas en-volvidas, em contraste com as abor-dagens tradicionais que geralmentetratam os problemas separadamente.

Salminen, da empresa FIMET daFinlândia (1992), define Mecatrônicacomo sendo a combinação de mecâ-nica e eletrônica para melhorar a ope-ração em vários aspectos, aumentara segurança e reduzir custos de má-quinas e equipamentos. Presume-seque o autor considera a Computaçãocomo parte da Eletrônica.

Acar, da Universidade deLoughborough na Inglaterra (1996),considera a Mecatrônica como umafilosofia de projeto, baseada naintegração de Microeletrônica, Com-putação e Controle em SistemasMecânicos, para se obter a melhorsolução de projeto e produtos comum certo grau de “inteligência” e “fle-xibilidade”.

Existem vários outros artigos quediscutem a definição de Mecatrônica(Ashley, 1997), porém verifica-se queo ponto comum à maioria das abor-dagens é, mais que a simples soma,a integração de diferentes tecnologias.

A partir de meados da década de80, países como Austrália, Japão,Coréia do Sul, além de alguns paísesEuropeus, iniciaram a criação de cur-sos de graduação e pós-graduaçãovoltados ao ensino multidisciplinar deMecatrônica (Acar, 1997).

Nos Estados Unidos não foramcriados cursos específicos de Enge-nharia Mecatrônica, porém foramintroduzidas, nos currículos dos cur-sos de graduação, disciplinas queapresentam o conceito de Mecatrônica(Ashley, 1997). Na grande maioria dasFaculdades de Engenharia dosE.U.A., as modificações foram feitasnos cursos de Engenharia Mecâni-ca, com disciplinas que abordam aintegração de Mecânica, Eletrônicae Computação, para o desenvolvi-mento de componentes e máquinas.

Na Finlândia foi introduzido em1987 um programa especial de pes-quisa em Mecatrônica com a partici-pação de quatro universidades técni-cas. Este programa contou com umorçamento de 6,5 milhões de dólaresaté 1990, e a participação de aproxi-madamente 80 indústrias atuando emsetores estratégicos (máquinas parafabricação de papel, telefonia móvel,máquinas florestais, robôs especiais)(Salminen, 1996). O programa atingiuo objetivo de difundir os conceitos deMecatrônica nas indústrias e em 1995um novo programa foi introduzido, comhorizonte de quatro anos e um orça-mento de 20 milhões de dólares, en-

volvendo universidades, centros depesquisa e indústrias, com novos te-mas na área de Mecatrônica.

Na Inglaterra, a comunidade envol-vida com Mecatrônica só recebeuaceitação oficial em 1990 com a cria-ção de um Fórum de Mecatrônicaapoiado pelo IEE (Institute of ElectricalEnginners) e o MechE (Institute ofMechanical Engineers) (Hewit, 1996).

No Brasil, o primeiro curso de gra-duação em Mecatrônica surgiu no fi-nal da década de 80, como uma inicia-tiva pioneira da Escola Politécnica daUSP. O curso, denominado Automaçãoe Sistemas, foi implementado no De-partamento de Engenharia Mecânica,aproveitando-se o núcleo do curso deEngenharia Mecânica, ao qual se in-troduziram disciplinas novas de Ele-trônica e Computação (Cozman,2000). Este curso foi iniciado em 1988e já formou cerca de 450 engenheirosaté o final de 2000.

CONCEITOS DE MECATRÔNICA

Atualmente a Mecatrônica é enten-dida como uma filosofia relacionadaà aplicação combinada de conheci-mentos de áreas tradicionais como aEngenharia Mecânica, Eletrônica eComputação de forma integrada econcorrente, conforme mostra a figu-ra 2. Uma combinação para ser con-corrente deve extrair o que há de maisadequado em cada uma das áreas, detal forma que o resultado final é maisdo que a simples soma de tais es-pecialidades, mas sim uma sinergiaentre elas.

O conceito de Mecatrônica repre-senta a combinação adequada de ma-teriais (resistência dos materiais, com-portamento térmico, etc.), mecanis-mos (cinemática, dinâmica), sensores,atuadores, eletrônica e processamen-to digital (controle, processamento desinais, simulação, projeto auxiliado porcomputador), possibilitando as seguin-tes características:

a) No projeto

• Simplificação do sistema me-cânico;

• Redução de tempo e de custo dedesenvolvimento;

Figura 1 - Sistema mecatrônico.

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• facilidade de se introduzir modi-ficações ou novas capacidades;

• flexibilidade para receber futu-ras modificações ou novas funciona-lidades.

b) No produto:

• flexibilidade de operação:programabilidade;

• inteligência: capacidade parasensoriar e processar informaçõespara se adaptar a diferentes condiçõesde operação;

• auto-monitoração e prevençãoativa de acidentes;

• auto-diagnóstico em caso defalhas;

• redução do custo de manuten-ção e consumo de energia;

• elevado grau de precisão econfiabilidade.

Vejamos alguns exemplos de comoesses resultados são possíveis, den-tro da área de Automação Industrial.

Sistemas tais como máquinas fer-ramentas e máquinas de manufatura

em geral eram compostos por meca-nismos para sincronização de movi-mentos e normalmente acionados porum só atuador (em geral, um motorelétrico). A grande complexidade dosmecanismos exigia precisão elevadapara diminuir folgas e dispositivos delubrificação para reduzir atritos. Essasmáquinas sofreram um grande desen-volvimento, com a introdução do con-trole numérico computadorizado(CNC), possibilitando a obtenção depeças com formas tridimensionaiscomplexas. Os Controladores LógicosProgramáveis (CLP) possibilitaramgrandes modificações na indústriacom a automação de processos, me-lhorando o desempenho e a qualida-de dos produtos.

A utilização de mecanismos elás-ticos tem se tornado uma realidadee possibilita a eliminação de juntasarticuladas, por exemplo. Estrutu-ras flexíveis podem ser controladas,através de sensores e atuadoresmontados ao longo dessas estrutu-ras, passando a apresentar compor-

tamentos desejados, como porexemplo, maior rigidez e eliminaçãode modos de vibração.

As aplicações de computação emEngenharia Mecânica evoluíram a par-tir do início da década de 80 com aevolução vertiginosa do poder deprocessamento dos computadores,acompanhado por um imenso declíniode preços. Antes disso, programaspara análise estrutural, térmica ou flui-da eram rodados em computadorestipo main frame com entrada de da-dos em cartões perfurados e saídasem forma de listagens. Atualmenteesses programas de análise oferecemexcelentes interfaces gráficas para ousuário, tanto relacionadas à entradade dados como apresentação dos re-sultados. Hoje, modelos matemáticossofisticados e cada vez mais comple-xos podem ser simulados mesmo emcomputadores pessoais.

NÍVEIS

Para alguns, Mecatrônica é o con-ceito de engenharia integrada que uti-liza CAD e CAM para gerar um produ-to complexo como, por exemplo, umrobô. Um engenheiro de produção,por outro lado, pode entender aMecatrônica como sendo a imple-mentação de um sistema flexível demanufatura. Um engenheiro, ao pro-jetar uma câmara de vídeo, podeentendê-la como a utilização de ele-trônica numa aplicação Mecânica. Jáum engenheiro químico pode enten-der a Mecatrônica como o controle deum processo químico utilizandosensores e atuadores, controlados porum processador digital. Provavelmen-te todos estão corretos, pois aMecatrônica está presente em diferen-tes níveis.

Neste artigo são definidos os se-guintes níveis:

• Componente (por exemplo, circui-tos integrados, sensores, atuadores,mecanismos);

• Máquina (máquinas de usi-nagem, medição, inspeção, movimen-tação, embalagem);

• Sistema (FMS - flexible manu-facturing system, FAS - factoryautomation system, CIM - computerintegrated manufacturing).

Figura 2 - Uma representação esquemática da Mecatrônica.

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ESPECIAL

A atuação profissional nos diferen-tes níveis está relacionada com o graude compreensão exigido dos fenôme-nos físicos envolvidos: quanto maispróximo, maior deve ser o domíniosobre eles. O nível de componenteexige o maior grau de domínio, en-quanto que o nível de sistema requero menor. Desta forma, conforme nosdistanciamos do nível físico, diminui-se a complexidade física envolvidadevido ao aumento do nível de abs-tração. Por outro lado aumenta tam-bém a complexidade lógica do siste-ma, exigindo maior poder de pro-cessamento para lidar com uma mai-or quantidade de informação. É o queilustra a figura 3.

No caso de um sensor de tempe-ratura, por exemplo, precisamos terconhecimento dos fenômenos físicosque podem ser utilizados para reali-zar a medida (variação de resistência,dilatação térmica, junção termo-par,etc), as vantagens e desvantagens decada um, as condições em que a me-dida deverá ser feita (tempo de res-posta, faixa de temperatura, precisãoe condições ambientais adversas), ea eletrônica necessária para con-dicionar o sinal e permitir a sua leitu-ra. No caso extremo do projeto de umsensor desse tipo, a informação de-sejada é o valor real de uma tempera-tura, e seu processamento envolve atransdução para um sinal elétrico.

No noutro extremo, um sistema deautomação de fábrica (FAS) deve li-dar com informações bastante abstra-tas, tais como adequação de esto-ques, capacidade produtiva das má-quinas, previsões de demanda, esca-las de manutenção, possibilidade defalhas, limites de consumo de energia,etc. A geração de um planejamentootimizado de produção (o que produ-zir, quando e como) e o posterior con-trole da produção (com correções ocor-rendo ao longo do trabalho) exige oconhecimento preciso e instantâneo detodas estas variáveis e de muitas ou-tras mais, além de envolver algoritmossofisticados para tomada de decisões.

DISCUSSÃO

O ponto importante do conceito eda filosofia de Mecatrônica é a combi-nação concorrente da Mecânica, Ele-trônica e Computação, de forma inte-grada para se obter, no produto, ca-racterísticas, tais como, flexibilidade einteligência, e no projeto, sistemas me-cânicos mais simples, redução de cus-tos e facilidade para se introduzirmodificações.

Os grandes desafios impostos pelaMecatrônica são: atualização constan-te e projetos visando a integração deconhecimentos de diferentes áreas.Osmeios de comunicação têm acompa-nhado esta evolução e a Internet tem

possibilitado consulta rápida a forne-cedores e fabricantes de componen-tes, máquinas e sistemas. A integra-ção, sendo uma característica dos pro-jetos em Mecatrônica, exige do pro-fissional não apenas um conhecimen-to técnico abrangente, mas tambéma habilidade para trabalhar em equi-pe, uma vez que seria muito difícil umúnico profissional ter domínio totalsobre todas as áreas envolvidas.

O rápido desenvolvimento científi-co e tecnológico que estamos presen-ciando inviabiliza a formação de pro-fissionais com profundo domínio detodas as especialidades que com-põem a Mecatrônica, exigindo que aeducação ocorra de forma continu-ada mesmo após a conclusão docurso. l

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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

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

7. Van Brussel H.M.J., Mecha-tronics – A Powerful ConcurrentEngineering Framework, IEEE/ASMETransactins on Mechatronics, vol. 1, no.2, p.127-136.

Figura 3 - A complexidade física é maior no nível de componente, enquanto que a complexidadelógica é maior no nível de sistema