UNIVERSIDADE DE SO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE SO CARLOS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

TCNICAS DE PROJETO APLICADAS NO DESENVOLVIMENTO DE UM MICROPOSICIONADOR

ANGULAR

LUCIANA MONTANARI, Enga. Mecnica

Dissertao apresentada Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica

Orientador: Prof. Jaime Gilberto Duduch, Ph.D.

So Carlos - 1999 -

Aos meus pais Heitor e Zlia,

aos meus irmos Nelci, Suzelei, Adevair e Geovana

e a minha sobrinha Anna.

AGRADECIMENTOS

Agradeo a Deus por tudo.

Ao Prof. Dr. Jaime Gilberto Duduch pela orientao e amizade.

Ao meu grande amigo e Co-orientador Prof. Juan Carlos Campos

Rubio (UFMG) pela sugestes, discusses e empenho em ajudar-me em

toda a realizao desse trabalho.

Ao Fernando Santoro pelas discusses sobre modelagem e

simulaes, pela sua pacincia e especialmente pela sua amizade.

Kelen e Gi por serem grandes amigas e companheiras.

Ao Prof. Dr. Rosalvo Tiago Ruffino pelas dicas sobre teoria de projeto.

Aos meus amigos e companheiros de laboratrio Helder, Renato,

Pagotto e Rogrio pela ajuda e discusses sobre o trabalho, alm de

proporcionarem um timo ambiente de trabalho.

Ao Prof. Dr. Arthur Jos Vieira Porto pela ajuda sempre que

necessria.

Ao Godoy que ajudou-me, principalmente com problemas

relacionados a computador e especialmente pelo seu companheirismo.

Aos meus amigos da ps Fabiana, Rodrigo, Mariano, Volnei, Ana

Lcia, Marcello (Barata), Marcelo (Barro), Claudio, Z Luiz, Geraldo,

Celso, Neilor, Teodora, Richard, Panam, Alexandre (Chiquinho), Alexandre,

Klauss, Dinho, Schammas, Leonardo, Rogrio, Paulo, Jalon, Fabrcio Flores,

Fabrcio Tadeu, Vagner, Rosenda, Denise, Toddy, Luciano.

Ao Jos pelas discusses relacionadas a problemas matemticos.

Ao Deivid e ao Gustavo Cristiano Pereira pela ajuda nos desenhos.

D. Nilza e Sr. Romualdo pelo carinho e ateno com que me

receberam e aos deliciosos almoos de domingo.

s meninas da secretaria, Ana Paula e Beth, pela disposio em

ajudar-me sempre que necessrio. Em especial Beth pelas suas oraes e

carinho.

Ao Fer pela sua amizade e ajuda desde a minha chegada a So

Carlos.

Aos meus amigos do vlei: Marisa, Ceclia, Tati, Sabrina, Cris,

Juliana, Flvia, Malu, Sissy, Teresinha, Virgnia, Vanessa, Eveline, Virglio,

James, Batman, Jlio, Tano, Fabiano, Daniel, M, Klein, Marquinhos,

Pochete, Bisteca e Joel.

Ao CNPq pelo apoio financeiro concedido durante o desenvolvimento

deste trabalho.

Agradecimento especial aos meus pais e irmos pelo incentivo e

apoio em todos os momentos.

Sumrio i

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS ......................................................................................iv

LISTA DE TABELAS ......................................................................................vi

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ........................................................vii

LISTA DE SMBOLOS ..................................................................................viii

RESUMO ........................................................................................................x

ABSTRACT ....................................................................................................xi

1 INTRODUO ..........................................................................................1

1.1 - Aspectos gerais .........................................................................1

1.2 - Justificativas ..............................................................................5

1.3 - Objetivos ....................................................................................6

2 - REVISO DA LITERATURA .....................................................................9

2.1 - Projeto .......................................................................................9

2.1.1 - A histria do projeto em engenharia ...............................9

2.1.2 - Definies de projeto ....................................................11

2.1.3 - Mtodos de projeto de engenharia ...............................12

2.1.4 - Mtodos sistemticos de projeto ..................................14

2.1.5 - Morfologia do processo de projeto ................................18

2.1.6 - Modelos prescritivos .....................................................19

2.1.7 - Uma avaliao crtica dos modelos prescritivos ...........30

2.1.8 - Um estudo mais profundo do modelo de Krick .............33

2.1.8.1 - Formulao do problema .....................................34

2.1.8.2 - Anlise do problema .............................................35

Sumrio ii

2.1.8.3 - Procura de solues .............................................35

2.1.8.4 - Tomada de deciso ..............................................37

2.1.8.5 - Especificao da soluo .....................................42

2.1.9 - Concluso .....................................................................43

2.2 - Sistemas Posicionadores de Preciso ....................................43

2.2.1 - Consideraes gerais ...................................................44

2.2.2 - Classificao dos sistemas de posicionamento ............45

2.2.3 - Estrutura funcional de um posicionador ........................46

2.2.4 - Componentes de um posicionador ...............................48

2.2.4.1 - Guias de movimento ............................................49

2.2.4.2 - Transmisses mecnicas conversoras ................55

2.2.4.3 - Acionamento .......................................................58

2.2.4.4 - Sensores ..............................................................63

2.2.5 - Concluso .....................................................................70

3 - METODOLOGIA DE PROJETO ..............................................................71

3.1 - A escolha do modelo ...............................................................71

3.2 Anlise tcnica ..........................................................................72

3.2.1 - Procura de solues ....................................................72

3.2.2 - Princpio de funcionamento...........................................74

3.2..3 - Anlise de valor ............................................................75

4 MODELAGEM CINEMTICA .................................................................79

4.1 Introduo ................................................................................79 4.2 Definio de Matriz de Transformao Homognea ...............79

4.2.1 - Movimento de translao ..............................................81

4.2.2 - Movimento de rotao ..................................................83

Sumrio iii

4.3 - Descrio do mecanismo ........................................................86

4.4 - Sistema de coordenadas cartesianas .....................................87

4.5 - Anlise cinemtica ...................................................................89

4.6 - Descrio dos movimentos para os atuadores .......................89

4.6.1 - Atuador B ......................................................................90

4.6.2 - Atuador A ......................................................................94

4.6.3 - Atuador C ......................................................................98

5 SIMULAES ......................................................................................105

6 - CONCLUSES E SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS .......114

BIBLIOGRAFIA ...........................................................................................118

APNDICE Desenhos do microposicionador angular

Lista de Figuras iv

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1.1 O desenvolvimento da usinagem no sculo XX (TANIGUCHI,

1983) .........................................................................................2

FIGURA 1.2: Esquema da localizao do posicionador. ................................7

FIGURA 2.1 Representao de um sistema .............................................16

FIGURA 2.2 Decomposio da caixa preta ...............................................16

FIGURA 2.3 Modelo de Watts (EVBUOMWAN et al., 1996) .....................22

FIGURA 2.4 Modelo de Marples (EVBUOMWAN et al., 1996) .................23

FIGURA 2.5 Modelo de Archer (EVBUOMWAN et al., 1996) ....................24

FIGURA 2.6 - Modelo de Krick .....................................................................25

FIGURA 2.7 Modelo de Nigel Cross ..........................................................26

FIGURA 2.8 Modelo de French (EVBUOMWAN et al., 1996) ...................28

FIGURA 2.9 Modelo VDI 2221 (MARIBONDO et al., 1998) ......................30

FIGURA 2.10 Modelo de Krick ..................................................................34

FIGURA 2.11 Passos da avaliao das variantes .....................................40

FIGURA 2.12 - Estrutura funcional de um posicionador ..............................47

FIGURA 2.13 Curvas caractersticas de atrito em guias (LICHTBLAU,

1989) .......................................................................................50

FIGURA 2.14 (a) Esquema construtivo de um PZT (PHYSIK

INSTRUMENTE, 1992); (b) Tipo de PZT comercial ................62

FIGURA 2.15 Princpio operacional de um laser interferomtrico

(TAVARES, 1995) ...................................................................67

FIGURA 2.16 Interfermetro de Michelson ...............................................68

FIGURA 2.17 Interfermetro de Fizeau .....................................................69

FIGURA 3.1 - Tipos construtivos de posicionadores angulares - (a) cunha de

encosto angular, (b) cunha de apoio semi-esfrico, (c)

transmisso por came, (d) posicionador micromtrico

diferencial, (e) transmisses rotativas, (f) plataforma de Stewart

..................................................................................................73

FIGURA 4.1 Sistema de coordenadas cartesianas ...................................80

Lista de Figuras v

FIGURA 4.2 Rotao do sistema (XL, YL, ZL) em torno do eixo XR ........83 FIGURA 4.3 Rotao do sistema (XL, YL, ZL) em torno do eixo YR ........84 FIGURA 4.4 Rotao do sistema (XL, YL, ZL) em torno do eixo ZR .........85 FIGURA 4.5 Esquema do posicionador angular ........................................86

FIGURA 4.6 Sistema absoluto de coordenadas OXYZ, segundo a regra da

mo direita ...............................................................................87

FIGURA 4.7 - Posio do sistema absoluto de coordenadas OXYZ no

posicionador ............................................................................88

FIGURA 4.8 Posicionador na posio inicial .............................................88

FIGURA 5.1 Esquema do posicionador mostrando os ngulos de rotao

em torno de X e Y ...............................................................105

FIGURA 5.2 Variao dos ngulos 1 e 2 ..............................................106 FIGURA 5.3 Fixao do ngulo 2 e variao do ngulo 1 .....................108 FIGURA 5.4 Fixao do ngulo 1 e variao do ngulo 2 .....................109 FIGURA 5.5 Posio inicial do posicionador no referencial relativo ........110

FIGURA 5.6 Variao dos ngulos 1 e 2 para l=60 mm ........................111 FIGURA 5.7 Fixao do ngulo 2 e variao do ngulo 1 para l=60 mm

.............................................................................................112

FIGURA 5.8 Fixao do ngulo 1 e variao do ngulo 2 para l=60 mm .............................................................................................113

Lista de Tabelas vi

LISTA DE TABELAS

TABELA 2.1 Determinao do valor global (HNHE, 1990b) ...................42

TABELA 2.2 Comparao entre guias de preciso ...................................52

TABELA 2.3 Caractersticos tcnicos de mancais de preciso .................55

TABELA 2.4 Propriedades das caractersticas de diferentes fusos (WECK

et al., 1998) ..............................................................................58

TABELA 2.5 Dados comparativos de sistemas de medio (TAVARES,

1995) .......................................................................................66

TABELA 3.1 - Fatores de importncia ..........................................................76

TABELA 3.2 Determinao do valor global do posicionador .....................77

Lista de Abreviaturas e Siglas vii

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

CNC Comando numrico computadorizado

IC - Circuitos integrados

PZT - Atuadores piezoeltricos

VDI - Verein Deutscher Ingenieure

Lista de Smbolos viii

LISTA DE SMBOLOS

A - amplitude

d translao do ponto central do posicionador na direo Z

dA deslocamento do atuador A

dB - deslocamento do atuador B

dC deslocamento do atuador C

Dm, Dn decises

E - ambiente particular

i = variante

i

- vetor unitrio da direo X

j = critrio

j

- vetor unitrio da direo Y

k

- vetor unitrio da direo Z

l distncia dos atuadores ao centro do mecanismo

n = nmero de critrios

N - fatores externos

Owvj = valor global

P - exigncias do projeto

Ra rugosidade mdia

v - velocidade de movimento

vij = sub-valor da variante i em relao ao critrio j

vmax = valor mximo de todas as variantes

wi = peso i-simo do critrio j

Xi = valor global segundo o valor mximo

XL, YL, ZL - coordenadas do sistema de referncia

XR, YR, ZR - coordenadas do sistema absoluto

- comprimento de onda A - coeficiente de atrito 1 giro em torno do eixo X 2 giro em torno do eixo Y

Lista de Smbolos ix

- produto final - freqncia

Resumo x

RESUMO

MONTANARI, L. (1999). Tcnicas de projeto aplicadas no desenvolvimento de um microposicionador angular. 126p. Dissertao (Mestrado)

Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo.

Para se obter alto desempenho em mquinas-ferramenta de

ultrapreciso, so necessrios o desenvolvimento de sistemas de

posicionamento e o controle de movimento, os quais no raramente devem

operar com resoluo e repetibilidade na faixa submicromtrica. A utilizao

das modernas tcnicas de metodologia de projeto auxiliam no

desenvolvimento deste tipo de sistema. Neste trabalho so discutidas e

analisadas as diversas alternativas disponveis para os elementos

constituintes do sistema de posicionamento. Aspectos crticos como

cinemtica, acionamento, guias e apoios so estudados e confrontados

usando o mtodo de anlise de valor. E baseados no resultado do estudo

prvio, obtm-se um sistema hbrido para microposicionamento angular de

alta rigidez e ampla largura de banda, capaz de posicionar uma superfcie

com resoluo angular inferior a 4.10-5 graus. Atravs das tcnicas de

modelagem, pode-se verificar a funcionalidade desse sistema projetado,

quanto ao seu comportamento esttico e dinmico. Uma modelagem

cinemtica apresentada com o objetivo de auxiliar na veracidade do

projeto do posicionador angular, atravs da qual pretende-se observar a

influncia de cada ponto de apoio no posicionamento final. So

apresentados os resultados obtidos em simulaes numricas, as quais

constatam no s o prprio desempenho do posicionador, como tambm, a

validade da tcnica utilizada.

Palavras-chave: projeto; ultrapreciso; microposicionamento; atuadores;

cinemtica.

Abstract xi

ABSTRACT

MONTANARI, L. (1999). Design techniques applied to development of an angular micro-positioner. 126p. Dissertao (Mestrado) Escola de

Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo.

In order to achieve high performance in ultra-precision machine tools,

appropriate capability is required of motion control and positioning systems

which have to operate at resolutions and repeatability in the sub-micrometre

range. Machining may reach high levels of precision through the use of

suitable sensors, actuators and controllers so that the development of micro-

positioner with low backlash, high bandwidth and accuracy is a crucial aspect

of high precision machining technology. Modern design techniques can

greatly assist in the development and design of such systems. In this work,

several design options for the elements of a positioning system are

discussed and analysed. Critical aspects such as kinematics, driving and

bearings are studied and compared using the value analysis method. A

hybrid system based upon the results of this study is proposed which

combines the best characteristics of each design option. The system

possesses the capability of positioning a workpiece and/or tool angularly

and/or linearly (micro-tilt stage) with a resolution better than 4 10-5 arc degree

and high stiffness and bandwidth. Through modelling techniques, it is

possible to verify the static and dynamic behaviour of the system. A

kinematics model of the micro-tilt stage is presented in order to establish a

relationship between the displacement of the actuators and the final position

of the stage. It is anticipated that such an approach will be required in respect

of interferometric feedback control. Simulations of the model are performed

showing that the technique applied is valid and the system fulfils the

requirements for ultra-precision design.

Keywords: design; ultra-precision; micro-positioning; actuators; kinematics

Captulo 1 1

CAPTULO 1

INTRODUO

1.1 Aspectos gerais

Indstrias de alta tecnologia como as de informtica, microeletrnica,

ptica e mecnica de preciso tm procurado desenvolver constantemente

pesquisas em diversas reas como as dos materiais, de instrumentao, de

controle e fabricao, no intuito de produzir componentes e equipamentos

cada vez mais precisos e de melhor qualidade.

Um fator de grande importncia para a produo de diversos

componentes, tem sido o significativo desenvolvimento que equipamentos de

fabricao e instrumentos de medio de preciso tm alcanado nas

ltimas dcadas. TANIGUCHI (1983) analisou historicamente este

desenvolvimento e extrapolou para o futuro sua provvel tendncia. Estas

informaes foram sintetizadas em um diagrama reproduzido na FIGURA

1.1, onde so apresentados tambm diversos equipamentos de fabricao e

instrumentos de medio que atuam em diferentes graus de exatido.

Particularmente, nestes ltimos quinze anos, ocorreu nas mais diversas

reas da cincia e da tecnologia, o surgimento da nanotecnologia, onde a

grandeza fsica na qual se trabalha da ordem de 10-9 m (IKAWA et al.,

1987; TANIGUCHI, 1992 & PENTEADO, 1996). Essa busca incessante da

perfeio uma caracterstica inerente da engenharia de preciso, o que

Captulo 1 2

torna inevitvel que os equipamentos de preciso de hoje venham a se

tornar os equipamentos comuns do futuro (WATANABE, 1992).

FIGURA 1.1 O desenvolvimento da usinagem no sculo XX (TANIGUCHI,

1983)

medida que as caractersticas metrolgicas e de acabamento

superficial tornam-se mais crticas, o desempenho da mquina-ferramenta

cresce em importncia. Desta forma, quando ingressamos no campo da

mecnica de preciso, o desempenho desejado das mquinas-ferramenta

destinadas fabricao de componentes de elevada preciso de forma e

rugosidade superficial (na faixa de 10 nm Ra; como por exemplo, moldes

para lentes, discos de memria de computador, lentes e espelhos para

sistemas pticos), demandam a utilizao de mquinas com melhor preciso

de posicionamento (DOWN et al.,1991; HARA et al., 1990 & IKAWA et al.,

1991). Uma exigncia muito comum para a obteno de espelhos para

Captulo 1 3

sistemas pticos a necessidade de movimentos com resoluo de 0,01 m livres de folga, num curso aproximado de 1-2 mm para cargas entre 20 a

2000 N (LANGENBECK, 1992). Dentro das modernas tcnicas de

manufatura, existe ainda, a produo de tecnologia de circuitos integrados

(IC), que exige geometria submicromtica com resoluo de posicionamento

na ordem de 0,1 m (TAYLOR & TU, 1996).

O crescente aumento nas exigncias em relao preciso de forma

e qualidade superficial de elementos pticos e em geral, dentro da classe de

mecnica de preciso, exige-se um constante aperfeioamento no

desempenho das mquinas-ferramenta para a usinagem de ultrapreciso.

Estas mquinas, apesar de apresentarem um desempenho

excepcional com relao preciso e tambm produtividade, ainda so

desenvolvidas de acordo com os conceitos bsicos de projeto mecnico,

onde a grande diferena se encontra na preciso com que cada componente

fabricado individualmente (PURQUERIO et al., 1994).

Na fabricao de ultrapreciso, como no caso de componentes para

aplicaes em equipamentos mecnicos, pticos e eletrnicos so

necessrias mquinas que apresentam rigidez e preciso de posicionamento

que garantam a qualidade nanomtrica. Seu elevado grau de

desenvolvimento tem sido alcanado atravs de grandes esforos cientficos

e tecnolgicos, tanto no setor acadmico quanto no industrial

(SCHROETER, 1997).

Os elementos mecnicos bsicos que compem uma mquina de

ultrapreciso so os responsveis diretos pela qualidade da usinagem.

Devem apresentar elevada preciso, rigidez esttica adequada e

estabilidade dimensional, a fim de minimizar toda e qualquer fonte de erro.

Essas caractersticas podem ser obtidas atravs da concepo correta do

projeto e da definio dos materiais utilizados.

Captulo 1 4

Movimentos relativos indesejveis entre a pea e a ferramenta

provocados por erros na rvore ou nas guias, variaes no avano,

comportamento trmico da mquina, deformaes da estrutura devido ao

peso prprio ou foras de usinagem, assim como comportamento dinmico

relacionado vibraes e outros fatores, podero ter grande influncia sobre

a rugosidade, qualidade dimensional ou de forma da pea produzida

(KANIZAR et al, 1996). Devido a isto, uma mquina-ferramenta de usinagem

para ser classificada como de ultrapreciso, deve possuir caractersticas

peculiares de extrema importncia. Estas caractersticas so: elevada

rigidez, isolamento de vibraes, estabilidade trmica, preciso de

posicionamento (repetibilidade e resoluo), alto grau de retilineidade das

guias, entre outras (SCHROETER, 1997).

Desta forma, para que determinada mquina possa operar na faixa

submicromtrica, so necessrias modificaes que muitas vezes tornam

este processo altamente dispendioso, sendo ainda, economicamente

invivel.

O principal objetivo almejado para a melhoria do desempenho das

mquinas-ferramenta de preciso a gerao de deslocamentos relativos

entre ferramentas e peas o mais prximo possvel do planejado. Neste

sentido, as mquinas-ferramenta para usinagem de ultrapreciso necessitam

de sistemas de posicionamento de alta resoluo, assim como de sistemas

de correo de erros necessrios para corrigir erros provindos dos seus

elementos constituintes. Esta uma das maneiras mais direta de se

alcanar a preciso desejada, sem dispor de grandes recursos econmicos.

Os avanos em sistemas de microposicionamento surgem, na maioria

das vezes, apoiados em desenvolvimentos de sensores de posio e na

tecnologia de software de controle. O controle de posio realizado atravs

do uso de atuadores piezoeltricos, os quais possuem resoluo

extremamente fina, mas com alcance limitado. Sistemas projetados com

sensores de posio apropriados e avanadas estratgias de controle

Captulo 1 5

podem reduzir erros tpicos de movimento a um nvel abaixo de 4,5 nm

(OTSUKA, 1992). Segundo ISHIHARA (1991), atravs do desenvolvimento

da tecnologia, os motores lineares so aplicados em sistemas de

posicionamento, aumentando tambm as aplicaes em circuitos integrados.

Atuadores de movimento mais radicais como o piezoeltrico e atuadores

lineares ultrasnicos sero indubitavelmente desenvolvidos no futuro,

juntamente com a tecnologia dos microposicionadores (TOJO & SUGIHARA,

1989).

Em adio aos atuadores de movimento, o controle de

microposicionadores exigem sensores de posio de alto desempenho. Os

codificadores pticos tradicionais so tipicamente substitudos por

interfermetros a laser (STEINMERTZ, 1990).

1.2 - Justificativas

Nos ltimos anos, diversos posicionadores de alta preciso tm sido

desenvolvidos. A configurao mais tradicional consiste em dois sistemas de

posicionamento translativos montados ortogonalmente, onde cada eixo

controlado independentemente.

Com o intuito de inovar os sistemas posicionadores existentes em

mquinas e equipamentos de ultrapreciso, proporcionando movimentos

angulares com resoluo submicromtrica, este trabalho trata do projeto de

um microposicionador angular, atravs da utilizao de modernas tcnicas

de projeto, visando alcanar o desempenho otimizado num arranjo o mais

simplificado possvel.

Foi feito um levantamento bibliogrfico da teoria de Projeto,

observando suas metodologias e modelos a fim de encontrar algumas das

Captulo 1 6

possveis alternativas dos elementos constituintes de sistemas

posicionadores, com o intuito de obter xito na resoluo do problema, de

uma forma cientfica.

1.3 - Objetivos

Este trabalho tem como objetivo desenvolver um microposicionador

capaz de movimentar-se angularmente, seguindo passo a passo as tcnicas

de projeto.

Prope-se a utilizao de sistemas de microposicionamento

modulares de alta resoluo, capazes de posicionar elementos nas

mquinas com um alto grau de exatido e rapidez, auxiliando tanto no

posicionamento relativo ferramenta/pea como na compensao de erros

sistemticos presentes. Para tanto, so abordados aspectos do projeto e

construo de um sistema de microposicionamento angular de alta rigidez e

ampla largura de banda, capaz de posicionar uma superfcie com uma

resoluo angular inferior a 4.10-5 graus.

prevista a utilizao desse sistema de microposicionamento no

torno CNC (ASG 2500 Rank Pneumo do Laboratrio de Ultrapreciso da

EESC USP), como pode ser observado pelo esquema de localizao da

FIGURA 1.2.

Captulo 1 7

O desenvolvimento deste trabalho conta com o desenvolvimento de

captulos da seguinte forma.

No Captulo 2 so abordados alguns aspectos gerais sobre projeto.

So definidos conceitos, mtodos, metodologia e modelos de projeto. Dentre

eles ser escolhido o meio mais adequado para se desenvolver um

microposicionador. Dentro deste captulo, ainda so abordados aspectos

gerais relativos aos sistemas posicionadores e seus elementos constituintes.

O Captulo 3 define uma metodologia de projeto e os parmetros a

serem utilizados neste desenvolvimento, e ainda, so caracterizados

diversos princpios de funcionamento para posicionadores angulares

presentes na literatura. Dentre os vrios tipos construtivos abordados, um

levantamento das caractersticas intrnsecas de cada um permite uma

anlise tcnica detalhada da alternativa de maior viabilidade. Seguindo isso,

ser feita a tomada de deciso, a fim de obter o microposicionador mais

adequado para a tarefa.

FIGURA 1.2 - Esquema da localizao do posicionador

Captulo 1 8

No Captulo 4 apresentada uma modelagem cinemtica do

microposicionador selecionado, visando obter uma ferramenta matemtica

que permita verificar e efetivar a sua funcionalidade.

No Captulo 5 apresentada uma simulao numrica.

No Captulo 6 so apresentadas as concluses e propostas para

trabalhos futuros.

Captulo 2 9

CAPTULO 2

PROJETO E

SISTEMAS POSICIONADORES DE PRECISO REVISO DA LITERATURA

2.1 Projeto

Neste item, atravs da reviso da literatura pertinente a todo o

contexto da teoria de projeto, foi feito um levantamento da histria do projeto

em engenharia, bem como suas definies, mtodos, modelos, entre outros;

os quais podem ser perfeitamente observados a seguir.

2.1.1 A histria do projeto em engenharia

O homem, desde seus primrdios, revelou-se muito astuto nas lutas e batalhas ferozes para sobreviver. No somente dominou seus inimigos

naturais como tambm a certo ponto, dominou a prpria natureza. Isto

porque comeou a moldar e usar, de forma apropriada, os recursos que a

natureza colocava a sua disposio. Aprendeu a modificar seu meio

ambiente de forma a adequ-lo s suas necessidades e obter vantagens

Captulo 2 10

sobre outras criaturas. Desta forma, o homem tem estado, em todas as

pocas, melhorando seus meios de sobrevivncia (QUIRINO, 1996).

A engenharia, como hoje se apresenta, basicamente a resultante de

dois processos histricos que por muito tempo evoluram parte, sem

qualquer relao entre si. De um lado, o aparecimento gradual, atravs dos

sculos, de um especialista na soluo de problemas cuja ocupao era

criar dispositivos, estruturas e processos de utilidades para o homem,

melhorando seus meios de sobrevivncia. De outro, a rpida e recente

expanso dos conhecimentos cientficos.

Assim permaneceu a engenharia por muitos sculos, a acumular, pela

simples experincia, os conhecimentos necessrios soluo de seus

problemas. Com a Renascena, o nvel de aprimoramento aumentou.

Entretanto, durante o perodo de desenvolvimento da mquina a vapor, no

sculo XVIII, os criadores de mquinas e estruturas baseavam-se

principalmente de conhecimentos empricos e da sua capacidade criativa,

mas muito pouco da cincia (KRICK, 1970).

No sculo XIX, os engenheiros reconheceram as potencialidades das

novas descobertas da cincia, na soluo de inmeros problemas da

humanidade, e comearam a tirar proveito delas.

Atualmente, para a soluo dos inmeros problemas da humanidade,

aplicam-se conhecimentos mediante uma metodologia que compreende

matemtica, computao, processos grficos e outros. Para chegar ao

sistema desejado, os engenheiros utilizam um processo denominado

projeto. A importncia do projeto na engenharia foi claramente identificada e publicada por FEILDEN (1963) apud WALLACE & BURGESS (1995) e,

desde ento, vem sendo repetida por todos os pesquisadores relacionados

rea.

Captulo 2 11

2.1.2 Definies de projeto

Muitos projetistas, engenheiros e pesquisadores, atravs da

observao e experincia, expressam seus pontos de vista na definio de

projeto ou o que eles consideram ser o projeto. Alguns destes pontos de

vista so apresentados a seguir.

FEILDEN apud EVBUOMWAN et al. (1996): Projeto de engenharia faz uso

de princpios cientficos, informaes tcnicas e define uma estrutura

mecnica, mquina ou sistema para representar funes especficas com a

mxima economia e eficincia.

FINKELSTEIN & FINKELSTEIN apud EVBUOMWAN et al. (1996): Projeto

o processo criativo que comea com uma exigncia e acaba com a definio

de um sistema, utilizando um mtodo na realizao dessa definio.

LUCKMAN apud EVBUOMWAN et al. (1996): Projeto o principal passo

em direo ao controle do seu ambiente. O processo de projeto a

translao de informaes na forma de exigncias em solues potenciais,

para encontrar as caractersticas exigidas.

ARCHER apud EVBUOMWAN et al. (1996): Projeto envolve um modelo

com inteno de concretizar na presena de um passo criativo.

ASIMOW (1968); BACK (1983) e SUH (1990): Projeto de engenharia uma

atividade orientada para o atendimento das necessidades humanas,

principalmente daquelas que podem ser satisfeitas por fatores tecnolgicos

de nossa cultura.

As definies de projeto, dadas acima, refletem os vrios pontos de

vista dos autores. Em geral, certas frases e palavras-chave podem ser

comuns. Por exemplo, exigncias, solues, especificaes, criatividade,

restries, princpios cientficos, informaes tcnicas, entre outras. Fazendo

uso dessas palavras-chave, projeto pode ser descrito como:

Captulo 2 12

O processo de estabelecimento de exigncias baseadas nas

necessidades humanas, transformando as especificaes e funes

(assunto ou restries) que so mapeadas em solues de projeto (usando

criatividade, princpios cientficos e conhecimentos tcnicos) e que podem

ser economicamente produzidas (EVBUOMWAN et al. 1996).

O processo de projeto envolve a definio do problema; a aplicao

de conhecimentos e da capacidade criadora concepo de solues

alternativas; a previso do desempenho dessas solues; a tomada de

decises; a especificao da soluo escolhida e uma grande variedade de

outras atividades.

A engenharia est fortemente relacionada com projetos. O que

distingue um projeto de engenharia de outros tipos de projetos a extenso

da contribuio dos fatores tecnolgicos utilizados na sua elaborao.

2.1.3 Mtodos de projeto de engenharia

A atividade de projeto de engenharia, embora representada por

muitos sculos, praticamente no teve qualquer estrutura ou organizao.

Foi somente depois da metade deste sculo que houve uma tentativa para

dar mais formalismo ao caminho para se chegar ao projeto, atravs dos

mtodos de projeto.

O surgimento dos mtodos de projeto se deu por volta dos anos de

1950 e 1960, como um desejo de se obter projetos de um modo mais

cientfico. Os mtodos cientficos surgiram para resolver os tipos mais

urgentes de problemas, como os decorrentes da Segunda Guerra Mundial -

chegando ao controle da tcnica de tomada de deciso e ao

desenvolvimento de tcnicas criativas nos anos de 50 (CROSS, 1993 &

SUH, 1990).

Captulo 2 13

O surgimento de novos mtodos de projeto desencadeou uma srie

de conferncias nos anos de 1960 a 1980 - Londres, 1962 (Jones e

Thornley, 1963); Birmingham, 1965 (Gregory, 1966); Portsmouth, 1967

(Broadbent e Ward, 1969); Cambridge, Mass., 1969 (Moore, 1970); Londres,

1973; New York 1974 (Spillers, 1974); Berkeley, Calif., 1975, Portsmouth

novamente em 1976 (Evans et al., 1982) e mais uma vez em 1980 (Jacques

e Powel, 1981) CROSS (1993).

Os primeiros livros de mtodos ou metodologias de projeto tambm

surgiram neste perodo - ASIMOW (1962), ARCHER (1965), JONES (1970)

e BROADBENT (1973), juntos com os primeiros livros de criatividade de

projeto - GORDON (1961) e OSBORN (1963).

As metodologias de projeto foram sendo desenvolvidas ao longo dos

anos, com a inteno de ...satisfazer as necessidades de ensino em projeto,

organizao de projeto, proviso de auxlio ao trabalho dos projetistas e

automao das informaes de projeto (FINKELSTEIN & FINKELSTEIN,

1983). Todas elas sugerem um fluxo de atividades com base em etapas, que

devem ser seguidas pelo projetista para que se possa, a partir da definio

da lista de requisitos de projeto, encontrar uma soluo adequada para o

problema em estudo. De uma forma geral, todas elas procuram levantar as

demandas, estabelecer os requisitos de projeto, desenvolver o projeto

conceitual, o projeto preliminar, o projeto detalhado e, assim, chegar

soluo do problema (MARIBONDO et al., 1998).

Metodologia de projeto definida como o estudo dos princpios,

prticas e procedimentos de projeto. Segundo CROSS (1984), metodologia

de projeto, inclui ainda, o estudo do trabalho de projeto, a estabilidade das

estruturas apropriadas para o processo do projeto, o desenvolvimento e

aplicao de novos mtodos de projeto, tcnicas e procedimentos, reflexo

da natureza de aplicao e extenso do conhecimento dos problemas de

projeto.

Captulo 2 14

Existem muitos caminhos para encontrar a soluo do problema em

estudo, ou seja, uma aproximao sistemtica do projeto definitivo. Cada

projetista tem um critrio particular para esta fase, pois cada problema pode

ter seu mtodo especfico de soluo (RUFFINO, 1991).

2.1.4 Mtodos sistemticos de projeto

Todas as tcnicas desenvolvidas nesta rea de metodologia de

projeto so mtodos sistemticos para resoluo de problemas, no

somente para auxiliar na sntese de novos projetos, mas tambm para

melhorar os projetos existentes (McKEOWN, 1988). Pode-se destacar

algumas destas tcnicas desenvolvidas:

1. rvores de deciso - a partir de um problema surgem diversos

subproblemas, isto , idias para resoluo desse problema. E assim

sucessivamente at chegar soluo ideal do problema inicial

(ASIMOW, 1968).

2. Mtodo morfolgico O mtodo se baseia em uma carta morfolgica ou

matriz de projeto e somente produz efeito no estgio de apresentao de

idias alternativas. Para usar esta matriz de projeto, com este objetivo,

de fundamental importncia que o projetista tenha estabelecido suas

especificaes (RUFFINO, 1991).

3. Sinergia - o termo sinergia foi adotado para a traduo de Synectics. Este

mtodo tem-se mostrado bastante eficiente em produzir boas invenes

e aplicvel em problemas complexos e abstratos. A sinergia foi

desenvolvida como uma deliberada imitao do modo como a mente de

um indivduo trabalha quando est na sua melhor forma. O mtodo

comprime este trabalho num perodo de tempo mais curto, forando

Captulo 2 15

idias e associaes em vez de esperar que surjam espontaneamente

(BACK, 1983).

4. PABLA (Problem Analysis by Logical Approach) Este mtodo baseia-se

no preenchimento de quatro cartas, obrigando com isto o projetista a

percorrer todas as fases do processo de projeto, o que deve conferir uma

correta atitude para a sua soluo. Com isto, evita-se tambm a

tendncia do projetista de, na primeira fase do projeto, tomar o lpis e

comear a desenhar (RUFFINO, 1991).

5. Tcnica de Inteligncia Artificial a aplicao da tcnica de redes

neurais artificiais na resoluo de problemas, principalmente em projetos

de automao (SMITH & BROWNE, 1993).

6. Anlise de valor o mtodo que aplica uma anlise altamente tcnica e

lgica com o objetivo de se chegar na melhor soluo de um problema de

projeto.

7. Brainstorming - esta tcnica foi introduzida por Alex Osborn em 1939. A

tcnica baseada no princpio de associao e tem como objetivo bsico

estimular um grupo de pessoas a detectar problemas ou produzir idias e

solues para questes existentes de maneira rpida e direta (BACK,

1983).

8. Inverso - o mtodo consiste em observar um problema complexo de

uma forma diferente da tradicional, ou seja, de modo invertido. Neste

mtodo, as palavras usadas so: inverter de posio, inverter os

movimentos, de dentro para fora, de modo a obter outras idias (BACK,

1983).

9. Analogia - solues de problemas so sugeridas muitas vezes a partir de

situaes anlogas e encontradas na natureza e mesmo na literatura

(BACK, 1983).

Captulo 2 16

10. Tcnica da caixa preta - consiste na anlise de um sistema que tenha

uma certa entrada e que se requer uma determinada sada, como pode

ser observado na FIGURA 2.1. Supe-se que no se conhea o

mecanismo que efetua esta operao, mas podem-se desenvolver

subsistemas e componentes (BACK, 1983). Trabalhando a partir dos

extremos para o meio da caixa, o problema inicial pode ser redefinido,

como mostra a FIGURA 2.2.

CAIXAPRETAentrada sada desejada

(a) (b) sadaentrada

11. Fantasia consiste em imaginar solues que adotam coisas irreais ou

processos sobrenaturais (BACK, 1983).

12. Empatia significa identificar-se pessoalmente ou sentir por outro. Esta

tcnica freqentemente usada em relaes humanas e significa

colocar-se no lugar de outra pessoa. O termo tambm pode ser adotado

no ato de identificar-se com coisas, partes ou processos que se pretende

desenvolver ou projetar (BACK, 1983).

Sem dvida existem vantagens e desvantagens em cada uma destas

tcnicas, mas pode-se dizer que, de uma forma geral, elas ajudam os

FIGURA 2.1 Representao de um sistema

FIGURA 2.2 Decomposio da caixa preta

Captulo 2 17

projetistas a tomar as melhores decises em todos os estgios do processo

de projeto, envolvendo assim, todas as causas. Esses mtodos exigem que

muitos projetistas tomem parte simultnea no processo de projeto e

asseguram a responsabilidade tanto na recuperao quanto na produo de

projeto. Um possvel perigo atravs do uso de metodologia de projeto que,

se no tratado cuidadosamente, pode sufocar a intuio e a criatividade.

A tcnica de anlise de valor , provavelmente, o desenvolvimento

mais importante nesta categoria, por ser uma anlise extremamente tcnica

e lgica. Qualquer projeto que no for submetido a uma anlise de valor

apresenta baixo nvel de qualidade (McKEOWN, 1988). A principal funo da

aplicao da tcnica de anlise de valor analisar um projeto

detalhadamente e fazer as mudanas convenientes que resultam em grande

eficincia. Essa anlise pode ser realizada atravs da aplicao de conceitos

matemticos.

Neste trabalho, prope-se a definio de uma metodologia de projeto

para sistemas de microposicionamento de alta resoluo. Viu-se a

necessidade de se aplicar uma anlise tcnica e lgica para obteno do

microposicionador angular com a melhor funcionalidade e desempenho

dinmico possvel. Este posicionador deve ser capaz de posicionar

elementos nas mquinas com alto grau de exatido e rapidez, auxiliando

tanto no posicionamento relativo ferramenta/pea como na compensao de

erros sistemticos presentes no sistema dinmico, atenuando distrbios

presentes no processo de corte (MONTANARI et al., 1998). Trata-se,

portanto, de um sistema complexo que engloba vrios parmetros tcnicos.

De acordo com a literatura, so caracterizados diversos princpios de

funcionamento para microposicionador angular. Dentre os vrios tipos

construtivos em estudo, um levantamento das caractersticas intrnsecas de

cada um permite uma anlise tcnica detalhada da alternativa de maior

viabilidade.

Captulo 2 18

Como forma de auxiliar na tomada de deciso, ser utilizado o

mtodo de anlise de valor, j que esta tcnica oferece os recursos

fundamentais para se obter com sucesso a resoluo do problema. Aspectos

como cinemtica, acionamento, guias e apoios so estudados e

confrontados.

2.1.5 Morfologia do processo de projeto

O projeto de um componente ou de um sistema apresenta, em cada

caso, caractersticas e peculiaridades prprias. medida que um projeto

iniciado e desenvolvido, desdobra-se uma seqncia de eventos em ordem

cronolgica, formando um modelo que sempre ser comum a todos os

projetos (ASIMOW, 1968). Estes eventos de projeto so, de forma geral,

distintos e devem ser seqenciados e encaixados de modo a transformar

recursos em objetos teis.

Os modelos de projeto so representaes de filosofias ou

estratgias, propostas para mostrar como pode ser feito o projeto. De acordo

com os pontos de vista filosficos, existem duas classes principais de

modelos de projeto, chamadas modelos descritivos e modelos prescritivos.

Os modelos prescritivos tendem a olhar o projeto atravs de uma

perspectiva global, adotando um procedimento e seguindo-o passo a passo.

Os modelos descritivos envolvem as aes e as atividades dos projetistas

durante a execuo do projeto (EVBUOMWAN et al., 1996).

Mais recentemente, outros grupos de modelos conhecidos como

modelos computacionais tm comeado a despontar. Esses modelos usam

tcnicas computacionais numricas e qualitativas e tcnicas de inteligncia

artificial.

Captulo 2 19

Considerando o projeto de um microposicionador angular para

mecnica de preciso, ser adotado o modelo prescritivo. Esta escolha

justificada pelo fato desse modelo analisar o problema apresentado de uma

forma global e apresentar um algoritmo sistemtico para a elaborao do

projeto, onde todo o procedimento a ser seguido especificado passo a

passo antes de se iniciar a execuo do processo de projeto. Enquanto no

modelo descritivo, como comentado, so tomadas atitudes durante a

execuo do processo de projeto. Ainda no h a necessidade de utilizar

recursos dispendiosos, tais como nos modelos computacionais, onde neste

caso, so utilizados computadores mais avanados, software, programas de

clculos, etc.

2.1.6 Modelos prescritivos

Esses modelos, em geral, tendem a prescrever o processo de projeto

de uma forma global, sugerindo o melhor caminho para a sua execuo.

Eles usualmente oferecem um algoritmo sistemtico para proceder na

execuo do projeto, atravs de uma metodologia particular.

A seguir so apresentados alguns modelos prescritivos, com suas

principais caractersticas. Dentre estes, ser escolhido o modelo que mais se

adequa realizao do projeto do microposicionador angular proposto.

Modelo de J. C. Jones

O modelo de Jones constitudo basicamente por trs estgios:

anlise, sntese e evoluo do problema. O primeiro estgio engloba a

descrio de todos e quaisquer fatores relacionados ao problema. No

Captulo 2 20

segundo estgio, so usadas tcnicas de criatividade, como por exemplo

brainstorming, para gerar idias e solues das especificaes. Fazendo

uma iterao entre as idias surgidas no processo criativo e os fatores

relacionados ao problema do primeiro estgio, surge uma combinao

parcial das solues compatveis. No ltimo estgio do modelo, so

envolvidas atividades de operao e manufatura do produto, alm da

deteco de erros que possam ser corrigidos (JONES, 1970). Esse modelo

destaca a necessidade de estabelecer especificaes como soluo do

problema proposto, atravs de iteraes entre os fatores de projeto.

Modelo de Asimow

ASIMOW (1968) exibe o processo de projeto em sete fases, sendo as

trs primeiras fases primrias e as ltimas fases relacionadas com o ciclo de

produto-consumo. Neste trabalho dado enfoque apenas s trs primeiras

fases, pois a partir da que inicia-se o processo de projeto. As trs fases

representadas so: estudo da exeqibilidade do projeto, projeto preliminar e

projeto detalhado.

1. Estudo da exeqibilidade do projeto: tem como objetivo reunir um

conjunto de solues teis para os problemas do projeto. So geradas

solues plausveis e, essas solues, so analisadas a fim de se obter a

realizao fsica, econmica e financeira do produto.

2. Projeto preliminar: a meta do projeto preliminar estabelecer qual das

alternativas propostas apresenta a melhor concepo para o projeto. Os

aspectos crticos do projeto devem ser verificados com a finalidade de se

validar sua concepo e de se fornecerem as informaes essenciais

para a fase posterior.

Captulo 2 21

3. Projeto detalhado: fornece as descries de engenharia do projeto

verificado. Os sub-sistemas, componentes e partes do produto so

completamente projetados e, juntamente com isso, so preparados seus

respectivos desenhos.

O processo de projeto, assim como discutido por Asimow, dividido

em vrios passos dentro das trs fase de projeto, tais como, anlise, sntese,

evoluo, deciso, otimizao e reviso (ASIMOW, 1968). Este um dos

seus aspectos mais importantes.

Modelo de Pahl e Beitz

Pahl e Beitz apresentam seu modelo de projeto em quatro fases: (a)

esclarecimento do assunto; (b) projeto conceitual; (c) prottipo e (d) projeto

detalhado. A primeira fase envolve a coleta de todas as informaes sobre a

soluo do problema. A segunda fase envolve a pesquisa dos princpios de

solues e uma combinao dos conceitos variantes. Na fase de construo

do prottipo, o projetista determina o layout e desenvolve um mtodo para

construo de um prottipo, de acordo com as consideraes tcnicas e

econmicas. Na ltima fase, so colocadas todas as dimenses,

propriedades superficiais e de forma para todas as partes individuais, os

materiais so especificados, os desenhos e outros documentos so

produzidos (PAHL & BEITZ, 1996).

Modelo de Watts

Watts representa o processo de projeto por um modelo icnico e

apresenta sua relao dinmica com o meio ambiente. O processo de

Captulo 2 22

projeto consiste de trs estgios: anlise, sntese e evoluo, como tambm

proposto por Jones. Pode-se observar atravs da FIGURA 2.3 que o

processo de projeto segundo Watts tem um desempenho cclico, ou seja, sai

de um nvel inferior (abstrato) para um nvel superior (concreto),

representando as fases do projeto. No decorrer desse caminho (do abstrato

ao concreto), o projetista vai tomando decises e reiterando o processo de

projeto, formando a estrutura vertical do cilindro (Dm, Dn, etc.). O processo

pode ser considerado completo quando o projetista consegue combinar as

exigncias do projeto (P) com um ambiente particular (E), de forma a ter

como produto final um artefato , isto , o projeto final sob a influncia de todos os fatores externos (N), necessrios para o sucesso desse projeto.

Esses fatores externos podem ser dados pela reputao do projetista e por

outros efeitos do meio scio-econmico.

Evolu

o Sntese

Anlise

Deciso

Concreto

Abstrato

(E)

N

DDm

Dn

( )

P

FIGURA 2.3 Modelo de Watts (EVBUOMWAN et al., 1996).

Modelo de Marples

Este modelo representa uma forma para resumir o processo de

projeto como um resultado de estudo de caso. Este estudo de caso

mostrado de forma ilustrativa, como uma seqncia de decises. Assim,

inicia-se com o problema de uma forma geral e termina-o com uma proposta

Captulo 2 23

de melhor soluo, de acordo com as exigncias e especificaes

previamente estabelecidas. Isso representado pela rvore de Marples,

mostrada na FIGURA 2.4.

O

2 111 2 11 2

2 1 2 1 1 2 2 2 11 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2

2 2 2 2 2 1

2 2 3 12 2 2 1 2 2 2 2

2 2 2

2 2 1

2 2 2 31 1 1 2

1 1 1 2 1 12 1 2

2 1 2 12 2 1 1

2 2 3

2 3 1

2 3 1 1

3 1 3 2 3 3

3 3 2 13 3 11

3 3 1 3 3 23 2 1

3 2 11

2 3 2

pp

p p 2 1p p p

ppp p

p

p

p

p p

p p

p

p

a aa

a

a

aa a a

aa

a a

a

aa

a1

2

3

a = A lt e r n a t i v ap = S u b - p r o b l e m aS o l u o r e je i t a d aS o l u o a c e i t a

FIGURA 2.4 Modelo de Marples (EVBUOMWAN et al., 1996).

Para um determinado n, so derivados sub-problemas como sendo

uma possvel soluo para o problema inicial. Dentre esses sub-problemas,

faz-se a melhor escolha at surgir a resposta final para a resoluo do

problema, como pode ser observado na FIGURA 2.4.

O modelo de Marples envolve trs fases principais: sntese, evoluo

e deciso. Na fase de sntese, so envolvidas duas atividades, as quais so

a pesquisa para as possveis solues e o estudo detalhado dessas

solues propostas. A segunda fase a evoluo das solues viveis

segundo certos critrios adotados. A fase da deciso feita diante da

escolha de uma soluo particular.

Modelo de Archer

Captulo 2 24

Em seu modelo, Archer define a metodologia de projeto em seis

estgios:

1. Programao: estabelece o problema e a proposta de ao;

2. Coleta de dados: coleta e classifica os dados;

3. Anlise: identifica os sub-problemas, prepara as especificaes do

projeto, reconsidera e estima o programa proposto;

4. Sntese: prepara as propostas do projeto;

5. Desenvolvimento: desenvolve o prottipo de projeto, prepara e executa

os estudos de validao;

6. Comunicao: prepara os documentos para a manufatura.

Estes seis estgios podem ser agrupados e classificados em trs

fases: analtica, criativa e executiva, como mostra a FIGURA 2.5. Na

descrio de seu modelo, Archer comenta que: ...as caractersticas

especiais do processo de projeto so dadas pela fase analtica, que requer a

observao dos objetivos e raciocnio indutivo, e pela fase criativa que

envolve o julgamento subjetivo e o raciocnio dedutivo. As decises cruciais

j foram tomadas, ento o processo de projeto continua com a execuo de

desenhos, esquemas etc..

Programao

Coletade dados

Anlise

Sntese

Desenvolvimento

ComunicaoSoluo

ExperinciaFase

analtica

Fasecriativa

Faseexcecutiva

Instrues

Treinamento

Programao

Coletade dados

Anlise

Sntese

Desenvolvimento

Comunicao

ObservaoRaciocnio indutivo

EvoluoJulgamento

Raciocnio dedutivoDeciso

DescrioTransmisso

( a ) ( b )

FIGURA 2.5 Modelo de Archer (EVBUOMWAN et al., 1996)

Captulo 2 25

Modelo de Krick

Em seu modelo, Krick descreve o processo de projeto em cinco

estgios: formulao, anlise, pesquisa, deciso e especificao do

problema. O primeiro passo envolve a definio clara do problema a ser

resolvido. O segundo passo envolve a anlise do problema chegando a uma

definio detalhada das especificaes, restries e critrios. No terceiro

passo, feita a pesquisa para gerar as solues alternativas, usando

criatividade e pesquisa. O estgio de deciso envolve a evoluo e

comparao das solues alternativas at encontrar a melhor soluo.

Finalmente, o quinto passo, envolve uma documentao detalhada da

escolha de projeto com desenhos tcnicos, artigos e um possvel modelo

icnico (KRICK, 1970). Um esquema do modelo de Krick pode ser

observado na FIGURA 2.6.

Anlise do problema

Formulao do problema

Procura das solues

Deciso

Especificao

FIGURA 2.6 - Modelo de Krick

Captulo 2 26

Modelo de Nigel Cross

Cross expressa o processo de projeto em seis estgios, atravs de

um modelo problema/soluo de uma forma simtrica. Os seis estgios so:

esclarecimento dos objetivos, estabelecimento das funes, especificao

do projeto, gerao das alternativas, evoluo das alternativas e detalhes de

projeto, como mostra a FIGURA 2.7. Para cada estgio aplicado um

mtodo de soluo. No primeiro estgio, o mtodo rvore usado para

esclarecer os objetivos e sub-objetivos e a relao entre eles. O mtodo de

anlise de funo ento usado para estabelecer a funo requerida e os

limites de sistemas. O terceiro estgio envolve um conjunto de exigncias,

onde so feitas certas especificaes usando o mtodo de especificaes de

desempenho. O mtodo morfolgico usado no quarto estgio para gerar

todas as solues alternativas do projeto. No quinto estgio, h uma

evoluo das alternativas de projeto usando o mtodo de anlise de valor

para comparar a utilidade de valores das propostas alternativas do projeto. O

sexto estgio envolve o estabelecimento dos detalhes de projeto usando o

mtodo de engenharia de valor a fim de aumentar ou manter o valor final do

produto, reduzindo seu custo de produo (CROSS, 1994).

Problema Soluo

Sub-problemas Sub-solues

Esclarecimentodos objetivos

Estabelecimentodas funes

Especificaesdo projeto

Detalhesdo projeto

Evoluodas alternativas

Geraodas alternativas

FIGURA 2.7 Modelo de Nigel Cross

Captulo 2 27

Modelo de Hubka

O modelo de Hubka representa o processo de projeto em quatro fases

e seis passos (EVBUOMWAN et al., 1996). Essas fases e passos so:

Fase 1: Elaborao de um determinado problema

Passo 1: elaborar ou esclarecer determinadas especificaes

Fase 2: Projeto conceitual

Passo 2: estabelecer a estrutura funcional

Passo 3: estabelecer o conceito

Fase 3: Esboo

Passo 4: estabelecer um layout preliminar

Passo 5: estabelecer um layout dimensional

Fase 4: Elaborao

Passo 6: elaborao e detalhamento do projeto

Modelo de French

Este modelo, como mostra a FIGURA 2.8, baseado nas seguintes

atividades de projeto:

1. Fase da anlise do problema - envolve a identificao das necessidades

a serem satisfeitas.

2. Fase de projeto conceitual - envolve a gerao de vrias solues na

forma de esquemas.

3. Fase de construo de prottipos dos esquemas propostos - envolve o

desenvolvimento de prottipos.

4. Fase de detalhamento - o esquema escolhido trabalhado em detalhes

finais.

Captulo 2 28

Desenhos, etc

Seleode esquemas

Especificaodo problema

Necessidade

Anlisedo Problema

Projetoconceitual

Incorporaodos esquemas

Detalhamento

Feed

back

FIGURA 2.8 Modelo de French (EVBUOMWAN et al., 1996)

Modelo de Back

Segundo o modelo de Back, o processo de projeto passa diretamente

por oito fases: estudo da viabilidade, projeto preliminar, projeto detalhado,

reviso e testes, planejamento da produo, planejamento do mercado,

planejamento do consumo, planejamento da obsolescncia, sendo que

somente as quatro primeiras fases so de interesse para esse estudo. A

primeira fase tem como objetivo a elaborao de um conjunto de solues

teis para o projeto, explorando os problemas gerados pelas necessidades e

Captulo 2 29

identificando seus elementos, tais como parmetros, limitaes e critrios

importantes. Essas solues so filtradas ou separadas atravs da

viabilidade fsica, econmica e financeira. O objetivo da segunda fase

estabelecer qual das alternativas propostas apresenta a melhor concepo

para o projeto. A terceira fase fornece as descries de engenharia de um

projeto verificado atravs do projeto detalhado ou das especificaes dos

componentes. Na quarta fase, so feitas constantes verificaes e testes

experimentais, principalmente de solues ou componentes cujo

desempenho ainda desconhecido. So construdos modelos experimentais

para verificar formulaes ainda no testadas (BACK, 1970).

Modelo VDI 2221

Esse modelo foi proposto por um grupo de pesquisadores alemes,

Verein Deutscher Ingenieure (VDI), Aproximao sistemtica do projeto de

sistemas tcnicos e produtos. O modelo VDI descreve o processo de projeto

em sete estgios, como mostra a FIGURA 2.9. Esses estgios envolvem:

1. Esclarecimento e definio do problema de projeto;

2. Verificao das funes e de suas estruturas;

3. Pesquisa dos princpios de solues para todas sub-funes e de suas

estruturas;

4. A diviso da soluo em mdulos realizveis;

5. Configuraes dos mdulos principais;

6. Configurao do produto total;

7. Fixao das informaes de execuo e de uso.

Captulo 2 30

Estgios ResultadosPassos

Lista de requisitos

Estrutura de funes

Soluo inicial

Estrutura modular

Projeto preliminar

Projeto detalhado

Documentao do produto

Esclarecer formulao do projeto

Verificao das funes e desuas estruturas

Pesquisa dos princpios desolues e de suas estruturas

Estruturao em mdulos

Configurao dos mdulos principais

Configurao do produto total

Fixao das informaes deexecuo e de uso

Tarefa

Produto

1

2

3

4

5

6

7

FIGURA 2.9 Modelo VDI 2221 (MARIBONDO et al., 1998)

2.1.7 Uma avaliao crtica dos modelos prescritivos

Atravs de uma reviso mais profunda dos modelos prescritivos dos

processos de projeto, nota-se que a maioria deles baseia-se em passos que

podem ser considerados como atividades de projeto (anlise, sntese,

Captulo 2 31

evoluo, decises, modelagem, etc.), enquanto outros modelos tomam

como base fases/estgios de projeto (projeto conceitual, construo de

prottipos e projeto detalhado).

Os modelos baseados nas fases/estgios do processo de projeto,

incluem Asimow, Pahl e Beitz, Watts, Hubka, French, Back e VDI 2221. Com

a exceo de French e VDI 2221, os outros modelos contm uma forma

mais detalhada para cada uma das fases/estgios. No modelo de Watts,

observam-se somente duas fases do projeto, isto , a abstrata e a concreta,

com um intervalo entre elas representado por um processo cclico (iterativo,

refinado e progressivo).

Os modelos de Pahl e Beitz e VDI 2221 abordam os temas de projeto

de produtos modulares e modularidade em produtos industriais. Entretanto,

seus conceitos ainda no esto totalmente uniformizados e suas

sistemticas no esto bem documentadas. Desta forma, essas

metodologias no deixam claro quais os possveis caminhos a serem

percorridos pelos projetistas, a fim de desenvolver uma famlia de produtos,

a partir da combinao de um grupo de componentes bsicos

(MARIBONDO, 1998).

Os modelos baseados nas atividades de projeto, incluem Jones,

Marples, Archer, Krick e Cross. Pode ser observado em todos os modelos

trs caractersticas predominantes, isto , anlise, sntese e evoluo. Na

maioria dos casos, a anlise utilizada para analisar o problema de projeto,

suas exigncias e especificaes. A sntese refere-se s idias geradas,

propondo solues para os problemas de projeto e avaliando essas solues

de acordo com as exigncias e especificaes do projeto, associados a

certos critrios definidos. No modelo de Krick, o estgio de sntese foi

substituda pela pesquisa e o estgio da evoluo pela deciso.

As atividades de anlise, sntese e evoluo representam a parte

central do processo de projeto. Se o problema no for analisado

corretamente, de acordo com as suas exigncias, poder haver dificuldades

Captulo 2 32

na procura de solues ou surgir solues imprprias como resoluo do

problema. No entanto, criando solues plausveis para o problema, existe a

necessidade de evoluo, como o teste que assegura a fidelidade das

exigncias e especificaes originais em conjunto aos critrios adotados.

Alm destas trs atividades, existem outras que podem tambm ser

necessrias durante o processo de projeto. So elas: otimizao, reviso,

coleta de dados, documentao, comunicao, seleo, tomada de deciso,

modelagem, etc. Algumas dessas atividades foram includas em vrios

modelos.

De acordo com as caractersticas predominantes dos modelos

especificados anteriormente e atravs de uma avaliao crtica para o

projeto de um microposicionador angular para mecnica de preciso, como

proposto neste trabalho, ser utilizado o modelo de Krick. Esta escolha

justificada pelo fato do projeto deste microposicionador angular exigir um

profundo estudo das caractersticas intrnsecas dos vrios tipos construtivos,

provenientes de uma pesquisa bibliogrfica ou atravs de observaes de

mecanismos j existentes em mquinas ou equipamentos de preciso.

Justifica-se ainda, a escolha pelo modelo de Krick, quando a evoluo

substituda pela deciso pois, neste caso, pode-se usar o mtodo de anlise

de valor (discutido no item 2.1.4), onde os componentes de preciso exigem

um alto nvel de qualidade. Para o projeto do microposicionador, tem-se o

objetivo de alcanar preciso nanomtrica.

Aps a escolha dos componentes do microposicionador angular, ser

feita uma modelagem cinemtica de seus mecanismos, com o intuito de

verificar sua funcionalidade, de acordo com as exigncias do projeto.

Captulo 2 33

2.1.8 Um estudo mais profundo do modelo de Krick

Diante do exposto, ser feita uma explanao sobre o modelo de

Krick, com o objetivo de explicar os estgios comentados em seu modelo,

disseminando seus fundamentos e desenvolvendo o processo de projeto.

O primeiro passo no sentido de resolver qualquer problema de projeto

de engenharia a definio desse problema, sendo necessrio identificar as

suas caractersticas mais relevantes. As solues alternativas no sero

todas igualmente convenientes. Portanto, tero que ser comparadas entre si.

Por um processo de eliminao, baseando-se num critrio dado, aparecer

no fim uma soluo adequada.

O processo geral recomendado para a soluo dos problemas de

engenharia, segundo KRICK (1970), pode ser observado na FIGURA 2.10 e

compreende as seguintes fases:

Fase da formulao - o problema definido em termos relativamente amplos e genricos.

Fase da anlise - o problema passa a ser definido em termos relativamente pormenorizados. Compreende a coleta, o exame, o

processamento e a seleo de informaes, com intuito de determinar

as caractersticas especficas do problema.

Fase da procura das solues alternativas busca-se solues por meio de criatividade, consultas etc.

Fase da deciso - as solues alternativas so avaliadas, comparadas e eliminadas at, dentre elas, surgir a melhor.

Fase da especificao - resulta na descrio completa das caractersticas fsicas e no desempenho da soluo escolhida.

Captulo 2 34

Processosolucionador

Anlise do problema

Formulao do problema

Procura das solues

Deciso

Especificao

Identificaodo problema a

resolver

Soluocompletamente

especificada

FIGURA 2.10 Modelo de Krick

2.1.8.1 Formulao do problema

Os objetivos da fase de formulao so: identificar o problema em

termos gerais e verificar se ele merece soluo. A formulao uma viso

ampla do problema, onde o problema definido de uma maneira geral,

isento de mincias. Ela pode ser dada atravs de algumas idias ou

anotaes rascunhadas. Um problema pode ser satisfatoriamente formulado

por palavras ou diagramas.

2.1.8.2 Anlise do problema

Captulo 2 35

Para resolver um problema satisfatoriamente necessrio melhor conhecimento de suas entradas e sadas, isto , o que se tem e o que se

deseja obter. Este um dos principais objetivos da anlise do problema.

Nesta fase, determinam-se todas as caractersticas relevantes, quantitativas

e qualitativas, dos estados de entrada e sada do problema.

So poucas as caractersticas, tanto das entradas como das sadas,

que se mantm inalterveis. Por isso, para resolver satisfatoriamente um

problema, h a necessidade de se obterem informaes fidedignas sobre as

provveis flutuaes das entradas e sadas.

Um outro objetivo importante da anlise a determinao das

condicionantes impostas ao problema. Os critrios a serem aplicados na

escolha da melhor soluo devero ser estabelecidos durante a fase da

anlise do problema.

Os tipos de solues consideradas na fase da procura das

alternativas dependem da importncia atribuda aos critrios. Portanto, estes

devero ser fixados antes de passar fase mencionada a seguir.

2.1.8.3 Procura de solues

O objetivo desta fase descobrir as solues possveis para o

problema. Neste caso, raramente tem-se como resultado um conjunto de

solues completas e mutuamente exclusivas. Pelo contrrio, provvel que

os resultados consistam essencialmente de solues parciais relativas a

somente alguns dos estgios ou das variveis que a soluo completa

finalmente comportar.

Na busca de solues para determinados problemas, dever-se-o

experimentar alternativas em todas as reas que ofeream perspectivas de

conter a soluo tima. Porm, existem medidas cautelosas a serem

Captulo 2 36

tomadas, evitando uma procura feita a esmo. Trs dos meios de reduzir o

carter aleatrio dessa busca so: (1) tomar como base o volume de

produo, a utilizao e os critrios; (2) sistematizar decisivamente a

procura; (3) utilizar certos processos matemticos e grficos que facilitem a

localizao da soluo tima (KRICK, 1970).

A utilizao, o volume da produo e os critrios relativos ao

problema servem, at certo ponto, para orientar na localizao geral das

reas que mais provavelmente possam conter a soluo tima.

Outro meio de tornar o processo menos aleatrio a adoo de

medidas que sistematizem diretamente a procura. Isto se torna possvel

principalmente pela organizao das idias, indagaes e pesquisas, de

modo a levar em considerao grande variedade de solues

essencialmente diversas.

Um terceiro meio de orientar a procura no espao de solues

consiste em processos matemticos e grficos que auxiliam

quantitativamente a localizao da soluo tima.

Das inmeras solues possveis para qualquer problema, se

algumas so relativamente complexas, outras so admiravelmente simples,

mas nem por isso menos eficazes. Como regra geral, as idias simples

tendem a ser as mais econmicas de produzir, de usar e, tambm, aquelas

cujo funcionamento inspira maior confiana.

Captulo 2 37

2.1.8.4 Tomada de deciso

No processo do projeto, aps o levantamento de todas alternativas

possveis, procede-se a fase de tomada de deciso.

Nesta fase, tomar uma deciso significa assumir um compromisso

direto com o projeto. Nesta oportunidade todos os fatores devero ser

ponderados. A deciso correta ser aquela que melhor pondere as variveis

otimizando o valor total (RUFFINO, 1991).

Existem teorias que apresentam a metodologia para se atingir o

compromisso otimizado (NUTT, 1998). Os mtodos de otimizao, o estudo

das probabilidades, os clculos estatsticos e a anlise de valores so

aplicveis nesta oportunidade. Por estes caminhos ter-se- a soluo

objetiva (RUFFINO, 1991).

Por outro lado, muitas vezes, a soluo provm de fatores humanos,

no quantitativos, e a complexidade aumenta. Isto considerando que a

soluo final ser composta pela soluo objetiva e pela soluo subjetiva

(NARUTAKI et al., 1996).

Em qualquer processo de deciso necessrio ter as metas bem

definidas o objetivo deve ser claro. A funo produto ou funo resultado

pode ser um simples item ou uma combinao ponderada de vrios itens

(PAHL &BEITZ, 1996).

Segundo KRICK (1970), os conhecimentos e mtodos especializados

a empregar dependem da natureza do problema, da complexidade e da

variedade das alternativas, da importncia relativa da deciso e de muitas

outras circunstncias. Os processos de deciso variam desde os mais

elaborados e exaustivos, que requerem medidas, pesquisas, previses e

comparaes de custos, at o julgamento rpido, simples e informal. Embora

as caractersticas especficas possam variar de situao para situao,

Captulo 2 38

quase sempre as quatro etapas abaixo devero ser obedecidas para chegar-

se a uma deciso consciente: (1) escolher o critrio; (2) prever a eficcia das

solues alternativas; (3) comparar a eficcia prevista para as alternativas; e

(4) proceder escolha da soluo.

1. Escolha dos critrios - Os critrios estabelecidos, pelo menos em seus termos gerais, como parte da anlise do problema, constituem a base

para a escolha da soluo mais conveniente.

2. Previso do desempenho - de grande importncia a previso satisfatria da maneira pela qual as solues alternativas, se adotadas,

comportar-se-iam com relao aos critrios estabelecidos.

3. Comparao das alternativas - Para permitir uma escolha consciente, o desempenho das alternativas dever ser comparado pelo critrio

adotado.

4. Funo de otimizao - A otimizao compreende a procura das solues e a tomada de deciso. A anlise de valor um importante

caminho para encontrar um bom projeto.

Dentre todas as alternativas possveis para o processo de tomada de

deciso, ser utilizada neste trabalho, a tcnica de anlise de valor, descrita

no item 2.1.4. De acordo com um conjunto de princpios tcnicos,

estabelecidos durante a fase de formulao, anlise do problema e procura

de solues capazes de satisfazer a funo global de posicionamento e suas

sub-funes, atravs de uma avaliao, ser escolhida a melhor variante

(soluo) para cada uma das funes exigidas na tarefa de posicionamento.

Para isso ser empregado o mtodo de combinao de variantes de

princpios tcnicos.

Captulo 2 39

Mtodo de combinao de variantes

O mtodo de combinao de variantes consiste na combinao de

princpios tcnicos, capazes de realizar a funo global e suas sub-funes,

de acordo com os parmetros de projeto (TAVARES, 1995).

Funo global uma funo que rene todas as demais funes (sub-

funes) que um produto possa ter (PAHL & BEITZ, 1996).

A funo global do microposicionador posicionar a pea/ferramenta

com preciso e resoluo, com deslocamentos nas direes x, y e z. Esta

funo subdivide-se em diversas sub-funes necessrias execuo do

posicionamento.

O prximo passo avaliar cada uma das combinaes das variantes

tcnicas agrupadas segundo uma sub-funo em comum, submetendo estas

combinaes a critrios de avaliao.

Os critrios de avaliao tm como objetivo determinar

seqencialmente as variantes de princpios tcnicos que satisfazem

determinadas sub-funes, arbitrando valores absolutos para as variantes e

para os critrios. Os valores so expressos por pontos. Como resultado,

obtm-se uma variante tima ou uma ordem de preferncias hierrquicas de

variantes (PAHL & BEITZ, 1996).

Segundo HNHE (1990b), a FIGURA 2.11 esquematiza a seqncia

de passos envolvidos no mtodo de avaliao de variantes tcnicas.

Captulo 2 40

Nmero de variantes

Coletar as variantes

Determinar critrios

Determinar fatoresde influncia

Determinar valores paravariantes e critrios

Calcular avaliao total

Decidir

Variante tima

Tendo sido determinados os sub-valores para todas as variantes, o

valor global pode ser calculado. Assim, o valor global de uma variante j pode

ser determinada segundo a equao 2.1:

n

1i

n

1i ijwvijviwjOwv (2.1)

onde: Owvj = valor global

FIGURA 2.11 Passos da avaliao das variantes

Captulo 2 41

vij = sub-valor da variante i em relao ao critrio j

wi = peso i-simo do critrio j

i = variante

j = critrio

n = nmero de critrios

A equao 2.1 mostra que o valor global de uma variante j pode ser

determinado atravs do somatrio dos n pesos dos critrios de projeto,

especificados de acordo com as suas exigncias (rigidez, preciso, etc. do

posicionador), multiplicado pelo sub-valor das variantes do projeto

(acionamento, transmisses, etc.) em relao ao peso especfico dos

critrios.

Se uma comparao relativa das variantes for considerada

insuficiente, ento o valor global refere-se a um valor ideal imaginrio que

resulta segundo o valor mximo atribudo aos critrios, como mostra a

equao 2.2 (PAHL & BEITZ, 1996 & HHNE, 1990b). Isto , determina-se

o valor global como na equao 2.1 e divide-se o produto pelo valor mximo

atribudo e somatrio dos valores destes critrios.

Quando se determina o valor global deste modo, calcula-se o valor

mnimo que cada variante pode obter dentro das exigncias de projeto.

Desta forma, tem-se que:

n1i iwmaxv

n

1i ijviw

n

1i iwmaxv

jOwv

iX (2.2)

onde: Xi = valor global segundo o valor mximo

vmax = valor mximo de todas as variantes

Captulo 2 42

Como forma de melhor entendimento, a TABELA 2.1 ilustra todo o

processo de atribuio e anlise de valores, chegando-se ao valor global.

Variantes

variante

(v1)

variante

(v2)

variante

(vj)

no de

critrios

peso de

importncia

sub-valor peso do

sub-valor

sub-valor peso do

sub-valor

sub-valor peso do

sub-valor

n1 w1 v11 w1v11 v12 w1v12 v1j w1v1j

n2 w2 v21 w2v21 v22 w2v22 v2j w2v2j

ni wi vi1 wivi1 vi2 wivi2 vij wivij

n wn vn1 wnvn1 vn2 wnvn2 vnj wnvnj

n

iiw

1

Ov1 Owv1 Ov2 Owv2 Ovj Owvj

2.1.8.5 Especificao da soluo

Depois de ter escolhido uma soluo, as suas caractersticas fsicas e

de desempenho devero ser especificadas com todos os pormenores

necessrios para que outras pessoas possam entender satisfatoriamente. O

TABELA 2.1 Determinao do valor global (HNHE, 1990b)

Captulo 2 43

fato de que geralmente no o projetista que constri, opera ou mantm a

sua criao, torna imperativo que ele documente cuidadosamente e

comunique eficientemente a soluo que prope (KRICK, 1970).

Um dos meios utilizados para comunicar as especificaes consiste

em um conjunto de desenhos do dispositivo, estrutura ou processo proposto.

Outro meio de transmitir especificaes atravs de um relatrio tcnico,

que entre outras coisas, descreve a necessidade da soluo proposta, a

prpria soluo e sua justificativa. Um possvel terceiro meio de

comunicao seria um modelo icnico tridimensional da proposta.

2.1.9 Concluso

Ao iniciar-se um projeto, sabe-se relativamente pouco quanto

provvel soluo final, de modo que nesse estgio h muitas incertezas e

corre-se assim certo risco em supor que a iniciativa seja vivel. medida

que o projeto progride, aparecem condicionantes, surgem solues

alternativas, comparam-se possibilidades, concretizam-se outras

informaes, a auxiliar numa resposta a essa perene questo. Portanto, o

risco de tomar uma soluo errada mximo ao incio do processo e

decresce com a apario de novos elementos.

2.2 Sistemas Posicionadores de Preciso

Desbravados os conceitos de metodologia, mtodos e modelos de

projetos, com o intuito de chegar resoluo do problema, ou seja, um

microposicionador angular para mecnica de preciso, faz-se necessrio

Captulo 2 44

obter informaes a respeito de sistemas posicionadores e seus elementos

constituintes.

2.2.1 Consideraes gerais

O grande interesse dispensado ao desenvolvimento de sistemas

posicionadores de preciso encontra justificativa na sua crescente demanda,

como em equipamentos indispensveis fabricao de componentes de

preciso, empregados em diversas reas como engenharia mecnica,

ptica, engenharia eltrica e computao.

Mquinas para usinagem de ultrapreciso necessitam de sistemas de

posicionamento e sistemas de correo dos erros provindos dos elementos

componentes da mquina. a maneira mais direta de se alcanar a

preciso desejada porque em projetos de ultrapreciso no se deve tentar

aumentar a preciso da mquina aumentando ao mximo a preciso de

cada elemento, pois os custos certamente tornaro o projeto proibitivo

(PURQUERIO et al., 1994).

Basicamente, um sistema de posicionamento tem como objetivo

movimentar um objeto ao longo de uma trajetria pr-determinada at uma

posio desejada, em geral por meio de energia mecnica, ou seja, os

sistemas posicionadores so construdos com o propsito de estabelecer

posies relativas entre elementos de um mesmo sistema; por exemplo, o

posicionamento de uma ferramenta em relao a uma pea a ser usinada

em uma mquina-ferramenta. O controle do processo em mquinas-

ferramenta vem se desenvolvendo, principalmente em funo da preciso da

mquina, pois as dificuldades e os custos aumentam de acordo com o nvel

de preciso desejado (TNSHOFF et al., 1988 & THOMPSON et al., 1982).

Na usinagem de ultrapreciso se requer um rgido controle do perfil a ser

Captulo 2 45

usinado, assim surge a necessidade de se obterem movimentos na faixa

micromtrica.

O projeto de um sistema posicionador efetuado de tal modo que ele

se comporte, tanto quanto possvel, como um corpo rgido. Existem sistemas

de posicionamento que possuem movimentos de translao e/ou rotao,

podendo apresentar um ou mais graus de liberdade, ou eixos de movimento

(ASANO & GOTO, 1991).

Foram desenvolvidos vrios tipos de sistemas posicionadores de

preciso com diferentes princpios de funcionamento, mas em todos eles os

desvios entre os posicionamentos tericos desejados e os reais obtidos

sempre ocorrem devido presena de fatores perturbadores de origem

interna ou externa aos equipamentos. A busca por sistemas posicionadores

cada vez mais precisos tornou necessria a construo de equipamentos de

melhor qualidade e a elaborao de novos mtodos para a identificao e

minimizao dos erros de posicionamento. Esta minimizao pode ser obtida

atravs da otimizao dos elementos que compem os sistemas

posicionadores ou atravs da compensao de erros, utilizando-se

atuadores de alta exatido, resoluo e velocidade de posicionamento, alm

de alta rigidez quando comparadas aos equipamentos convencionais

(WATANABE, 1992).

2.2.2 Classificao dos sistemas de posicionamento

Existem sistemas de posicionamento manuais e automticos, com

movimentos de translao e de rotao, podendo apresentar um ou mais

graus de liberdade, ou eixos de movimentos. Estes sistemas podem ser

acionados basicamente por motores eltricos (servomotores) ou motores

hidrulicos. Em posicionadores de alta preciso, atualmente j esto sendo

empregados acionamentos piezoeltricos para movimentos com cursos de

Captulo 2 46

dezenas de micrmetros, com preciso de 3 nm e resoluo de 5 nm (ASANO & GOTO, 1991).

Sistemas de posicionamento manuais caracterizam-se por

apresentarem acionamento manual dos eixos de movimento por meio de

parafuso micromtrico, onde o controle e resoluo so dependentes da

sensibilidade visual e habilidade do operador. O controle do posicionamento

normalmente executado pelo operador do sistema por meio de escalas e

microscpios pticos de medio. Em geral, caracterizam-se tambm por

terem uma estrutura e mecanismos relativamente simples, de baixo custo,

sendo indicado para tarefas de posicionamento de mdia preciso (HNHE,

1990a).

O sistema de posicionamento automtico acionado por

servomotores eltricos ou cilindros pneumticos/hidrulicos. Contudo, tendo

em vista que atuadores pneumticos so de difcil controle e preciso

limitada, prefervel usar servomotores eltricos ou atuadores hidrulicos,

que so mais facilmente controlados.

Os posicionadores automticos caracterizam-se por possurem

sensores para o monitoramento de posio e velocidade, alm de

subsistemas eletrnicos para o comando e controle das variveis funcionais.

Possui maior complexidade eletro-mecnica que os sistemas de

posicionamento manuais, porm conseguem-se obter preciso e resoluo

de ordem submicromtrica (HNHE, 1990a).

2.2.3 Estrutura funcional de um posicionador

Num posicionador, o controlador executa sinais de comando de

posio e os compara com os valores das variveis controladas, enviando o

sinal resultante para o acionamento. O acionamento tem como sub-funo

Captulo 2 47

transformar controladamente a energia eltrica em energia mecnica,

movimentando a mesa do posicionador atravs de mecanismos adequados

que convertem e reduzem os sinais provenientes do atuador (sinais de

entrada) em deslocamentos de translao e rotao. Estes deslocamentos

(sinais de sada) so medidos por sensores e realimentam a unidade

controladora, fechando a malha de controle (TAVARES, 1995). Atravs da

FIGURA 2.12 pode-se observar a estrutura funcional de um posicionador.

sistema demedio de sensores

atuador acoplamento redutor conversor demovimentos

mesaguias

Wel

controlador U

U - variveis de comando Wel - energia eltrica

FIGURA 2.12 - Estrutura funcional de um posicionador

Sistemas posicionadores rotativos ou lineares convencionais

movimentam-se normalmente atravs do deslizamento ou do rolamento

sobre guias, ocasionando problemas de desgaste e de stick-slip.

Equipamentos de preciso como mquinas-ferramenta de preciso,

mquinas de medir a trs coordenadas e equipamentos litogrficos para a

fabricao de componentes eletrnicos empregam usualmente mancais

aerostticos ou hidrostticos em suas guias, eliminando assim, os problemas

mencionados (desgaste e stick-slip).

Servo-motores de corrente contnua ou de corrente alternada,

motores de passo e motores hidrulicos so os elementos acionadores

Captulo 2 48

rotativos mais utilizados nos sistemas posicionadores. A associao destes

motores a conjuntos fuso-castanha apresenta-se como a soluo mais usual

quando se deseja transformar o movimento de rotao em translao. Para

diversas aplicaes, esta associao bastante satisfatria, pois os

conjuntos fuso-castanha trabalham como redutores, permitindo a obteno

de pequenos deslocamentos lineares com motores de baixos torques.

As limitaes quanto preciso dos sistemas posicionadores

convencionais e a necessidade de se produzirem componentes cada vez

mais precisos e de m