tcc - robo - ete

67
Trabalho de Conclusão do Curso Técnico em Automação Industrial ETEC “Jorge Street” Braço Manipulador Valter Giolo N º 28 Fabio Assis Lacerda N º 11 Professor Orientador: Apolinário Fernandes dos Santos São Caetano do Sul / SP 2010

Upload: gabrielmortensen

Post on 25-Jun-2015

1.983 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: TCC - ROBO - ETE

Trabalho de Conclusão do Curso Técnico em

Automação Industrial

ETEC “Jorge Street”

Braço Manipulador

Valter Giolo N º 28

Fabio Assis Lacerda N º 11

Professor Orientador:

Apolinário Fernandes dos Santos

São Caetano do Sul / SP

2010

Page 2: TCC - ROBO - ETE

1

Braço Manipulador

Trabalho de conclusão apresentado

para obtenção do título de técnico

em automação industrial da

Etec Jorge Street

São Caetano do Sul/SP

2010

Page 3: TCC - ROBO - ETE

2

Dedicatória

Dedicamos a Deus por ter nos dado o dom da vida para que crescêssemos

tanto como profissionais e principalmente como pessoas.

Dedicamos também aos nossos familiares, amigos e em especial ao Breno

Sendom Garrido Giolo.

Page 4: TCC - ROBO - ETE

3

Agradecimentos

Queremos agradecer aos nossos professores que nos auxiliaram com seus

conhecimentos e sempre nos instruíram de forma que pudéssemos nos tornar bons

profissionais e alunos.

A empresa M.A.R Automação Industrial Ltda., que contribuiu com o material

para desenvolvermos o projeto.

A empresa Colgate-Palmolive que disponibilizou o horário para estudarmos.

Page 5: TCC - ROBO - ETE

4

Resumo

Este projeto consiste na construção de um braço manipulador, que engloba á

mecânica, a eletrônica e a computação. Ele pode ser utilizado em muitas áreas, mas

neste projeto sua utilização será na reciclagem de lixo.

Palavras chaves: Automação, Braço Manipulador, Reciclagem, Meio Ambiente.

Page 6: TCC - ROBO - ETE

5

Lista de Figuras

Figura 1 Robô Quattro s650H (Adept)................................................................11

Figura 2 Pessoas trabalhando na separação do lixo..........................................15

Figura 3 Partes em alumínio (braço)..................................................................19

Figura 4 Partes em acrílico.................................................................................20

Figura 5 Engrenagens cônicas...........................................................................21

Figura 6 Engrenagens dentes retos...................................................................22

Figura 7 Garra pneumática................................................................................23

Figura 8 Regulador de pressão..........................................................................24

Figura 9 Distribuição isométrica das esferas.......................................................25

Figura 10 Base circular........................................................................................26

Figura 11 Disjuntor................................................................................................27

Figura 12 Solenóide e válvula 5/2.......................................................................28

Figura 13 Sensor indutivo....................................................................................29

Figura 14 Motor de passo....................................................................................30

Figura 15 Drive de controle..................................................................................31

Figura 16 Envelope de trabalho (vista isométrica)...............................................32

Figura 17 Envelope de trabalho (vista superior)..................................................33

Figura 18 Ligação do motor (8 fios ) 24V.............................................................34

Page 7: TCC - ROBO - ETE

6

Figura 19 Tela do software...................................................................................35

Figura 20 Tela de programação...........................................................................36

Figura 21 Cabo para programação......................................................................37

Figura 22 Tela de testes dos motores.................................................................37

Figura 23 Fluxograma de acionamento do projeto..............................................38

Figura 24 Diagrama de acionamento dos componentes.....................................41

Figura 25 Tabela de custo....................................................................................47

Figura 26 Vista geral do projeto..........................................................................49

Figura 27 Esquema elétrico do projeto.................................................................51

Figura 28 Esquema pneumático da garra............................................................53

Figura 29 Tabela de símbolos..............................................................................55

Figura 30 Curva de torque...................................................................................58

Figura 31 Manual do drive...................................................................................60

Figura 32 Páginas do livro máquinas (casillas)...................................................62

Figura 33 Manual do drive 3540i........................................................................65

Page 8: TCC - ROBO - ETE

7

Sumário

1.Introdução.................................................................................................................9

2. Apresentação.........................................................................................................10

3. Objetivo..................................................................................................................14

4. Justificativa.............................................................................................................15

5. Metodologia............................................................................................................16

6. Desenvolvimento....................................................................................................16

6.1. Operação....................................................................................................16

7. Construção.............................................................................................................16

8. Usinagem...............................................................................................................17

9. Materiais Utilizados................................................................................................17

9.1 Mecânica.....................................................................................................18

9.1.1 Alumínio.......................................................................................18

9.1.2 Acrílico.........................................................................................19

9.1.3 Engrenagens Cônicas................................................................ 20

9.1.4 Engrenagens de Dentes Retos...................................................21

9.1.5 Garra Pneumática.......................................................................22

9.1.6 Manômetro..................................................................................23

9.1.7 Esferas Transferidoras................................................................24

9.2 Elétrica.........................................................................................................26

9.2.1 Disjuntor......................................................................................26

9.2.2 Solenóide e válvula 5/2...............................................................27

9.2.3 Sensores.....................................................................................28

9.2.4 Motor de passo............................................................................29

9.2.5 Drive de Controles.......................................................................31

10. Envelope de Trabalho..........................................................................................32

11. Montagem.............................................................................................................33

12. Eletrônica..............................................................................................................34

13. Programação........................................................................................................35

14. Fonte de Alimentação...........................................................................................38

15. Fluxograma...........................................................................................................38

16. Diagrama de Acionamentos.................................................................................41

Page 9: TCC - ROBO - ETE

8

17. Resultados............................................................................................................42

18. Conclusão.............................................................................................................42

19. Sugestões............................................................................................................43

20. Referências Bibliográficas...................................................................................44

21. Apêndices...........................................................................................................45

Apêndice A. Previsão de Custo.............................................................46

Apêndice B. Vista do Projeto.................................................................48

Apêndice C. Esquema Elétrico..............................................................50

Apêndice D. Esquema Elétrico da Garra...............................................52

Apêndice E. Lista de Símbolos..............................................................54

23. Anexos..................................................................................................................56

Anexo1. Curva de Torque do Motor Da Articulação...............................57

Anexo2. Manual SCL (modo Drive)........................................................59

Anexo3. Páginas do Livro Máquinas ( Casillas).....................................61

Anexo4. Manual do Drive 3540i.............................................................64

Page 10: TCC - ROBO - ETE

9

1. Introdução

Os robôs, quanto ao seu princípio de funcionamento e aplicação, são

produtos de constante pesquisa da área da Robótica.

Robótica é o ramo da tecnologia que engloba a mecânica, a eletrônica e a

computação, para que estas formem um equipamento automatizado controlado por

circuitos integrados ou outros dispositivos. O avanço em qualquer destas ciências

possibilita a geração de um dispositivo robótico mais preciso em seus movimentos e

aplicações, com maior confiabilidade e vida útil.

De acordo com o assunto Automação no site wikipedia.org.br, a idéia de se

construir robôs começou a tomar forma no início do século XX, quando os projetistas

visavam o aumento da produtividade e da qualidade, porém, as primeiras idéias de

projeto documentado de um robô são de autoria de Leonardo da Vinci, muito antes

de nossos tempos.

Tais documentos foram redescobertos na década de 50 e mostram que o ser

humano sente a necessidade de automatizar sua vida muito antes do que

imaginamos. De fato, muitos consideram como sendo o primeiro robô, segundo as

definições modernas, o barco tele-operado de Nikola Tesla, que foi apresentado no

Madson Square Garden, em 1898. Ainda voltando um pouco na história, o primeiro

robô humanóide surgiu nos anos 30, criado pela Westinghouse, denominado Eletro,

exibido na World’s Fair em 1939. O primeiro robô autônomo eletrônico foi criado por

Grey Walter, na universidade de Bristol, na Inglaterra, no ano de 1948.

Hoje, grande parte dos manipuladores robóticos possui capacidade de

movimentos semelhantes à de um braço humano, conferindo-lhes um envelope de

trabalho abrangente, e muitos deles com uma grande interação com o meio através

de sensoriamento.

Page 11: TCC - ROBO - ETE

10

2. Apresentação

BRAÇO MANIPULADORES

De acordo com Koivo (1989), manipuladores robóticos são constantemente

utilizados para realizar diversas tarefas nas indústrias, casos nos quais podem

substituir um ou, na maioria das vezes, diversos operadores. Como exemplo, foi

citado o caso de que houve a substituição de 200 soldadores com suas máscaras e

ferros de soldar por apenas 50 robôs, o que ultimamente continua acontecendo

exponencialmente. A automação proporciona ganhos para empresa que a

implementa no que diz respeito a custos e a qualidade do produto, garantidos pela

agilidade e velocidade de trabalho, assim como pela confiabilidade e precisão dos

dispositivos automatizados e de manipuladores robóticos. A possibilidade de se

alterar facilmente a programação ou setup de um processo é algo que ultimamente

vem sendo muito valorizado também.

As construções de robôs e manipuladores variam muito de acordo com a

aplicação, como vemos nas indústrias automobilísticas, onde robôs robustos que

manipulam as peças e ferramentas nas montagens dos veículos, e suportam

grandes cargas até os denominados “nano robôs”, que integrarão o campo da

medicina com maior intensidade em um futuro próximo no auxílio ao tratamento de

doenças, “viajando” através do sangue do paciente realizando pequenas “cirurgias”.

Segundo Koivo (1989), as juntas dos manipuladores geralmente são

acionadas por motores de corrente contínua (motores DC) ou motores de passo.

Além destes, vale lembrar que os servomotores, que são basicamente construções

similares aos motores de passo, mas com um sistema de sensoriamento integrado

com encoder ou resolver para a realização de seu controle e caixa de redução para

aumento de torque, dominam as aplicações nas juntas dos robôs atuais no que diz

respeito à precisão e confiabilidade, pois podem responder rapidamente aos

cálculos de cinemática complexos, passando por cálculos derivados e integrais de

movimentos que resultam nos deslocamentos.

Page 12: TCC - ROBO - ETE

11

No campo de automação, grande parte dos dispositivos é acionada por sinais

digitais, os quais, como são apresentados por Silveira e Santos (2002), são sinais

que variam bruscamente no tempo, também denominados sinais de tempo discreto

e trabalham com informações baseadas em tomadas de decisões em dois níveis:

nível lógico alto 1 (um) e nível lógico baixo (0), onde cada nível recebe um sinal de

tensão de acordo com a tecnologia empregada (CMOS, TTL, entre outras).

Figura1 - Robô Quattro s650H da empresa Adept Technologies que utiliza cálculos de

cinemática complexa para posicionamento através de servomotores e interpolação de movimentos

comandados por controlador externo e software de parametrização (www.adept.com)

No controle de manipuladores, a combinação de sinais fornece um tipo de

acionamento bem simples, quando se utiliza drives de controle, através de relés e

contatores. As aplicações no mercado com equipamentos automatizados são

freqüentemente constituídas de controladores lógicos programáveis, ou comumente

conhecidos como CLP’s (PLC do inglês – Programmable Logic Controller), que

através de sinais discretos ou analógicos, controlam diversas tarefas e

acionamentos. Porém, por ser um dispositivo modular, apesar das possibilidades e

facilidades que apresentam os CLP’s muitas vezes não são utilizados em

manipuladores, mas sim controladores complexos, compostos de microcontroladores

Page 13: TCC - ROBO - ETE

12

e diversos outros componentes eletroeletrônicos para realizar o processamento de

informação e realizar o controle dos movimentos do robô com base na programação

realizada, seja com definições de “pick and place” (determinação de pontos de

“pega” e pontos de “depósito” de um objeto pré-definidos), conveyor tracking

(interação com esteira transportadora para manipular o objeto sem parada) ou pallet

(organização de objetos em fileiras e colunas), as quais posicionam peças seguindo

padrões de movimentos acionados por sensores ou elementos sensitivos para

feedback do sistema; definições de posicionamento através da análise do meio físico

(sistema de visão, RFID, entre outros); ou até com passos pré-definidos, com um

nível mais baixo de interação com o meio, como é o caso deste projeto.

Uma das ferramentas mais utilizadas nos métodos de passo-a-passo para

execução de tarefas é o Grafcet, que consiste em uma seqüência de ações

desenvolvidas através da finalização da última e formam um ciclo após o seu

término. Conforme Silveira e Santos (2002), um Grafcet consiste em um modelo de

representação gráfica do comportamento da parte de comando de um sistema

automatizado, e através da interligação de etapas e transições por arcos orientados

e conseqüente interpretação de variáveis de entrada e saída, define formalmente o

comportamento dinâmico dos elementos comandados. Sendo assim, podemos pré-

definir tarefas para serem controladas no equipamento, seguindo determinados

“passos”, como quando será acionado, representar por que / pelo que será acionado

e qual a seqüência dos acionamentos.

Para efetuar a função de cérebro de controle do conjunto, a utilização de

drives inteligentes é extremamente eficaz, pois se utiliza de espaço e custo

reduzidos, se comparados com outros tipos de controladores.

Um drive inteligente recebe sinais externos ou baseia-se somente em sua

programação para realizar os acionamentos necessários para girar os motores

ligados à sua placa. Possuem, em sua maioria entradas e saídas digitais, controle

JOG (movimentos rápidos e manuais utilizados pelo usuário), controle de sentido de

giro (horário/anti-horário) externo, entrada para sinais provenientes de encoder,

podendo assim ser utilizados em controles de malha fechada, entre outras

possibilidades.

A realização de controle em um equipamento é muito importante, mas todo

equipamento que realiza movimento, deve possuir elementos mecânicos confiáveis

Page 14: TCC - ROBO - ETE

13

para transmissão de movimento, velocidade, torque etc. Sendo assim, a transmissão

dos movimentos provenientes de motores é realizada por redutores planetários,

polias sincronizadas, engrenagens dos mais variados tipos de dentes (retos,

cônicos, helicoidais, rosca sem fim, fusos entre outras) e normalmente baseiam-se

na transmissão do pinhão para a coroa, para redução de velocidade e aumento de

torque. Estes tipos de transmissões podem ser robustas para os manipuladores de

maiores “pay loads”, ou seja, carga máxima suportada pelos robôs baseando-se na

sua velocidade máxima, podendo ser excedida em algumas vezes até o dobro para

os casos em que se trabalha com velocidades menores. A composição mecânica

influencia no envelope de trabalho de um robô, pois através do alcance da

montagem mecânica, podemos determinar até que ponto ele pode alcançar um

objeto. Os robôs mais versáteis no que diz respeito à manipulação são aqueles que

possuem um envelope de trabalho no formato de uma esfera “cheia”, ou seja,

movimentam-se em todas as direções e sentidos, podendo realizar montagens e

manipulações mais complexas. Há robôs que possuem envelopes mais limitados,

como ocorre nos casos de envelopes de trabalho cilíndrico, mas apesar disso não

deixam de possuir elevada confiabilidade, durabilidade e precisão. A definição do

tipo de robô para uma aplicação depende diretamente no interesse do cliente que o

adquire, pois nitidamente, são elementos programáveis que se adaptam aos mais

diversos meios de trabalho e tipos de movimentação. Mas, assim como a

versatilidade é ampliada, aumenta-se também o custo para sua aquisição. Sendo

assim, empresas que constantemente alteram seus produtos, layouts ou seqüência

de montagem, ou ainda trabalham com sistemas de melhoria contínua, alterando o

processo buscando a perfeição (como é o que ocorre nas montadoras), adquirem

robôs com envelopes de trabalho mais versáteis, pois podem ser adaptados aos

novos lançamentos e montagens dos veículos no acirrado mercado automobilístico.

Page 15: TCC - ROBO - ETE

14

3. Objetivos

Braços manipuladores são amplamente utilizados nas indústrias, pois sua

ilimitada possibilidade de aplicações torna os robôs, em muitos casos, a melhor

solução para movimento, transporte e manipulação. Porque não também utilizá-los

em prol do meio ambiente. Especialistas estimam em 1,5 milhões de toneladas a

quantidade de lixo produzido por pessoas anualmente. A cidade de São Paulo tem

números de primeiro mundo em relação ao lixo. Cada paulistano produz 1,2 quilos

por dia de lixo. A reciclagem possui pelo menos dois benefícios imediatos:

diminuição da quantidade de dejetos em aterros e o reaproveitamento de materiais

que seriam inutilizados.

Reciclar, portanto, é economizar recursos.

No Brasil, mais do que economizar, tem gente que ganha algum dinheiro com

a reciclagem. É o caso das cooperativas de catadores, grupos de pessoas de baixa

renda que encontraram na reciclagem uma forma digna de trabalho. Como a maioria

não usa proteção (uns por falta de dinheiro, outros por falta de informação),

freqüentemente ocorrem lesões ou infecções pelo manuseio o lixo.

Utilizando manipuladores, acabariam os problemas de lesões, infecções, e

tornaria o processo mais rápido e seguro.

Page 16: TCC - ROBO - ETE

15

4. Justificativa

A necessidade das indústrias em obter manipuladores de baixo custo cresceu

exponencialmente, sendo assim um importante investimento. Atualmente é o

desenvolvimento de dispositivos automatizados que oferecem soluções para

melhoria de qualidade e rapidez nos processos. Tendo em vista o problema da

separação do lixo reciclável, vimos à possibilidade da construção de um

manipulador, que irá auxiliar na separação do metal dos demais materiais.

A construção de um braço manipulador é muito interessante do ponto de vista

didático, pois se utiliza da união das tecnologias de diversos segmentos

incorporadas em um único equipamento e serve como objeto de estudo eficaz e,

sem dúvida, muito prático.

Figura 2 - Pessoas trabalhando na separação do lixo.

Page 17: TCC - ROBO - ETE

16

5. Metodologia

Vai ser usado o método de engenharia, utilizando peças e componentes já

conhecidos no mercado como engrenagens, eixos, motores de passo, todas

fornecidas pelo patrocinador.

6. Desenvolvimento

6.1-Operação

O projeto consiste no controle de um braço mecânico, o qual se caracteriza

como protótipo de manipuladores em maiores escalas. O manipulador terá a função

de retirar apenas materiais metálicos, outros tipos de materiais como plástico, papel

passaram para outro estágio da reciclagem.

7. Construção

O conjunto é constituído de acrílico, alumínio e aço. O braço, engrenagens da

base, perfis de sustentação, garra pneumática e eixo de giro da base são de

alumínio; todas as bases (base do braço, das esferas transferidoras rotacionais) e

mancais do eixo de subida/descida do braço são de acrílico. E as engrenagens

cônicas, eixo acoplado às engrenagens para movimento vertical, rolamento, esferas

transferidoras entre outros são de aço.

O conjunto é acionado por programação utilizando dois drives de controle

modelo 3540i da empresa Applied Motion, os quais realizam o controle do

posicionamento da base rotativa, e angulação da junta de um braço que posiciona

em diferentes alturas, uma garra pneumática para que assim possa haver a

manipulação de objetos. Os dois movimentos, da base e da junta, possuem

Page 18: TCC - ROBO - ETE

17

respectivamente 270º e 90º de rotação máxima, iniciando-se a contagem a partir da

referência zero do braço, obtida através de sensores indutivos afixados lateralmente,

no caso da junta, e tangencialmente no caso da base.

Com a construção do braço, foi alcançado um envelope de trabalho

semelhante a uma semicircunferência oca, que possui uma limitação máxima de

alcance de um raio de 400 mm. Com a montagem mecânica finalizada e realizando-

se cálculos de esforço, chegamos ao resultado de 1,200 Kgf de peso máximo

suportado para movimentação. Com o projeto finalizado, tendo em vista tudo o que

foi ministrado pelos professores e executado pelos componentes do grupo, pode-se

avaliar que houve a absorção de considerável conhecimento técnico, contribuindo

assim para a formação tecnológica.

8. Usinagem

A usinagem dos componentes ocorreu na empresas onde alguns

componentes do grupo trabalham que cordialmente nos auxiliaram oferecendo o

serviço, material ou até mesmo o espaço para que se concretizasse o projeto, além

de serviços terceirizados como o caso das engrenagens cônicas, que pela sua

dificuldade de usinagem tiveram seus dentes usinados em empresa especializada.

Diversos tipos de máquinas foram utilizados, como fresas, tornos, plainas, discos

divisores e furadeiras de bancada, além de ferramentas manuais para confecção de

furos e roscas, cortes e acabamento. A escolha dos materiais foi essencial para que

não houvesse uma dificuldade acentuada no desenvolvimento.

9. Material Utilizado

Os materiais que compõem a parte mecânica do braço manipulador foram

selecionados de modo que alguns aspectos importantes foram considerados:

redução de peso do projeto para menor exigência de potência dos motores,

facilidade de usinagem e manipulação do material visando o ganho de tempo,

Page 19: TCC - ROBO - ETE

18

resistência aos esforços solicitantes e tensões decorrentes das atividades e

movimentos desenvolvidos pelo projeto, preço do material e por fim, disponibilidade

no mercado.

Os elementos cinemáticos mecânicos responsáveis por transmitir o

movimento do motor para as articulações do braço são constituídos de aço carbono

1020 nos eixos e engrenagens da transmissão do motor de passo para

descida/subida do braço, garantindo resistência às tensões aplicadas nesta

articulação do braço, resultantes da retirada destes elementos do estado de inércia

que se encontram ou das frenagens dos motores.

Considerando que o esforço na base rotacional é menor, através da

observação de que todo o peso do projeto concentra-se sobre as esferas

transferidoras sob o conjunto, o material utilizado para construção da base do braço

manipulador foi o acrílico, que garante ao projeto redução de peso e logo, uso de

menor potência do motor da base rotacional.

O material selecionado para confecção dos engrenamentos responsáveis pela

transmissão do movimento do motor para a base rotacional, incluindo o seu eixo, foi

o alumínio.

Os vínculos constituem as maiores peças do projeto e são fabricadas em

alumínio, de modo a reduzir os esforços nos motores, eixos e mancais. A definição

do material alumínio para a construção deste componente somente foi possível após

a constatação de que o mesmo suportaria o peso de 1,200 Kgf (referentes à carga a

ser manipulada, somada ao peso do manipulador e o peso do vínculo mais distante

da base), sem ceder a deformações de flambagem.

9.1 Mecânica

9.1.1 Alumínio

O alumínio oferece uma excelente vantagem no que diz respeito a peso e

usinagem. Sendo assim, diversos componentes, como já foi apresentado

anteriormente, foram fabricados em alumínio. Base da garra pneumática, corpo do

braço, engrenagens da base rotativa, suportes de movimentação presos ao eixo de

Page 20: TCC - ROBO - ETE

19

subida/descida do braço, eixo de rotação da base, e perfis de sustentação da base

acrílica de todo conjunto são apenas alguns dentre os componentes compostos por

alumínio.

Figura 3 - Detalhe do corpo do braço composto por alumínio

9.1.2 Acrílico

O acrílico é um tipo de material leve e de fácil usinagem, que permite através

de sua transparência, a observação de regiões de difícil acesso possibilitando assim

o estudo e análise dos elementos cinemáticos e seus comportamentos. Foi

empregado no projeto nas bases de sustentação, com espessura de 10mm, por

possuir baixa resistência mecânica, se comparado a outros materiais similares

existentes no mercado, como é o caso do policarbonato. Inicialmente, a idéia foi

utilizar o policarbonato, mas em função do preço e de disponibilidade de material, foi

utilizado o acrílico que atende os requisitos de montagem.

Page 21: TCC - ROBO - ETE

20

Figura 4 - Acrílico utilizado no projeto

9.1.3 Engrenagens Cônicas

Engrenagens cônicas estão presentes no eixo do motor de passo e

possibilitam o movimento de subida/descida do braço, e consequentemente da

garra. As engrenagens foram empregadas em função da posição do motor, que se

encontra instalado verticalmente paralelo ao eixo rotacional da base, sendo assim,

sua transmissão de movimento é perpendicular ao eixo da articulação. A relação

escolhida foi 1:1, pois o objetivo não foi reduzir, mas apenas transmitir o movimento

para um plano diferente do eixo. Por possuir um torque ampliado pelo redutor

planetário, resultando assim em 8Nm de torque na ponta do eixo, o motor de passo

já dispõe do torque suficiente para levantar uma carga de 1,200 kgf, satisfatória para

o braço.

Page 22: TCC - ROBO - ETE

21

Figura 5 - Engrenagens cônicas acopladas no

eixo do motor e no eixo de giro do braço

9.1.4 Engrenagens de dentes retos Engrenagens de dentes retos foram utilizadas na base do braço para girá-la e

proporcionar o movimento rotativo no eixo Z. Um motor de passo, com uma

engrenagem de 18 dentes transmite rotação para uma engrenagem de 68 dentes.

Page 23: TCC - ROBO - ETE

22

Figura 6 - Engrenagens de dentes retos utilizadas

para movimentação da base rotacional

9.1.5 Garra Pneumática Foi utilizada uma garra pneumática FESTO de modelo HGW-25ª com pressão

de trabalho de 6 bar. A garra realiza um movimento em forma angular com algumas

limitações de dimensões em função da sua estrutura, pois possui uma abertura de

36º (+6º ou -2º).

Page 24: TCC - ROBO - ETE

23

Figura 7 - Garra pneumática HGW-25A empregada na

extremidade do braço utilizada para manipular as peças

9.1.6 Manômetro

Foi utilizado um regulador de pressão (manômetro) modelo LR da festo,

utilizado para ajustar a pressão ideal para os dispositivos. Mantém a pressão

constante no lado secundário, independentemente das variações sofridas pela rede

de distribuição de ar. Atua também como uma válvula de segurança caso ocorra um

Page 25: TCC - ROBO - ETE

24

aumento inesperado de pressão do lado da utilização. Funcionamento até 12 bar.

Figura 8 - regulador de pressão (manômetro)

9.1.7 Esferas Transferidoras Para suportar todo o corpo do braço em cima da base circular, foram

inseridas três esferas transferidoras em ângulos proporcionais de 120º entre si, na

placa quadrada. O modelo destas esferas é o ATH0014-640, vendido

comercialmente pela empresa Sibaroll e estas, presas com dois parafusos cada,

que, com as esferas voltadas para cima, entram em contato com a base superior

suportando as forças axiais resultantes do motor, corpo do braço e carga

manipulada. A função das esferas transferidoras, neste tipo de montagem, é idêntica

à de um rolamento axial, pois permite um movimento circular com carga axial

Page 26: TCC - ROBO - ETE

25

aplicada ao eixo de rotação. O motivo pelo qual foram utilizadas é a questão do

custo, que é consideravelmente mais barato se comparado a um rolamento axial

com as dimensões para este projeto. Cada esfera permite que seja aplicada uma

carga de 10 kg, sendo assim, a carga máxima para este projeto seria de 30 kg, caso

os motores e outros elementos do conjunto suportassem também esta carga.

Figura 9 - Distribuição isométrica das esferas transferidoras na base do braço

Page 27: TCC - ROBO - ETE

26

Figura 10 - Base circular suportada

pelas esferas transferidoras

9.2 Elétrica

9.2.1 Disjuntor

Foi utilizado um disjuntor bipolar, de quatro Amperes da Siemens,disjuntor é

um dispositivo eletromecânico que permite proteger uma determinada instalação

elétrica contra sobre-intensidades (curto-circuitos ou sobrecargas).Sua principal

característica é a capacidade de poder ser rearmado manualmente quando estes

tipos de defeitos ocorrem, diferindo do fusível, que tem a mesma função, mas que

fica inutilizado depois de proteger a instalação. Assim, o disjuntor interrompe a

corrente em uma instalação elétrica antes que os efeitos térmicos e mecânicos desta

Page 28: TCC - ROBO - ETE

27

corrente possam se tornar perigosos às próprias instalações. Por esse motivo, ele

serve tanto como dispositivo de manobra como de proteção de circuitos elétricos.

Figura 11 - Disjuntor Siemens 4 Amperes

9.2.2 Solenóide

Foi utilizado uma válvula pneumática MFK 5-1/8 a qual possui 5 vias / 2

posições com retorno por mola acionada por solenóide 24Vcc, pois assim, com um

simples acionamento discreto, ou seja, com o fechamento de um relé, as pinças

usinadas fixadas na ponta da garra podem prender o objeto que se quer manipular.

Page 29: TCC - ROBO - ETE

28

Figura 12 - Solenóide e válvula 5/2 retorno por mola FESTO – MFK-5-1/8

utilizada para acionar a garra pneumática

9.2.3 Sensor

Foi utilizado sensor indutivo que envia sinal para o drive o qual comanda o

funcionamento dos motores. Os sensores indutivos são emissores de sinal que

detectam, sem contato direto, elementos metálicos que atravessam o seu campo

magnético convertendo em um sinal elétrico inteligível.

As principais vantagens da utilização de sensores indutivos são:

Grande durabilidade – Por não necessitar de contatos mecânicos para

a detecção;

Excelente precisão e garantia da supervisão;

Altas freqüências de comutação até 3000Hz;

Com indicação através de Led;

Insensível a trepidações;

Totalmente lacrado podendo ser utilizado em ambientes agressivos;

Page 30: TCC - ROBO - ETE

29

Versatilidade de formatos e formas de fixação;

Facilidade de interface com os principais CLP’S

Alimentação de 10 a 30 Vcc.

Figura 13 - Sensor Indutivo

9.2.4 Motor de Passo O conjunto está equipado com dois motores de passo, um responsável pelo

movimento de rotação que o braço fará em seu próprio eixo e outro que descreve o

movimento de subida/descida do segundo vinculo do braço, o mesmo que comporta

a garra.

O motor de passo empregado no projeto é o de modelo HT23-400 da

empresa Applied Motion, o qual está acoplado a um redutor planetário de

transmissão 8:1, que consequentemente, aumenta o torque do motor de 1Nm, para

Page 31: TCC - ROBO - ETE

30

8Nm. Motores de passo são amplamente utilizados nas indústrias por possuir uma

montagem que fornece um torque elevado, mas que também proporciona um fácil

controle de seus movimentos, além da precisão com que trabalha, pois normalmente

são utilizados com encoders ou resolvers, os quais fornecem dados de

posicionamento e velocidade. No projeto, o motor foi fixado verticalmente ao lado do

braço, transmitindo seus movimentos através de engrenagens cônicas, com relação

de transmissão de 1:1, pois o torque proporcionado é suficiente para movimentação.

Descontando-se o peso da garra e vinculo superior de 400 mm, a capacidade

máxima de projeto é de uma carga de 1,2 kgf.

Figura 14 – Motor de passo 24Vcc 2,8A da empresa Applied Motion – HT23-400

Page 32: TCC - ROBO - ETE

31

9.2.5 Drive de Controle Para o controle dos movimentos, como já foi apresentado, foram utilizados

dois drives de motores de passo. Estes comandam as bobinas do motor

proporcionando assim a seqüência de energização necessária para que se obtenha

o movimento. Recebem alimentação de 24Vcc da fonte , possuem programação

através do software Si Programmer da empresa Applied Motion. Através de suas

portas de entradas e saídas, comunicam-se entre si, aguardando combinações de

sinais para acionamento e enviando combinações de sinais para sinalizar fim de

movimento.

Figura 15 - Drive de controle dos motores de

passo 3540i 12/42Vcc da empresa Applied Motion

Page 33: TCC - ROBO - ETE

32

10. Envelope de Trabalho

O envelope de trabalho está relacionado ao espaço físico que cada célula

robótica está apta a ocupar para desenvolver suas atividades e corresponde

basicamente a forma geométrica que envolve o volume de trabalho. Este volume

inclui todos os pontos que podem ser alcançados pela ferramenta.

Para este projeto foi alcançado um envelope de trabalho semelhante a uma

semicircunferência oca, que possui uma limitação máxima de alcance de um raio de

400 mm.

Figura 16 – Envelope de trabalho – Vista isométrica

Page 34: TCC - ROBO - ETE

33

i Figura 17 - Envelope de Trabalho – Vista Superior

11. Montagem

O primeiro vinculo que concede ao braço manipulador uma altura de trabalho

mais ampla, realiza uma movimentação que descreve um giro ao redor do seu

próprio eixo, graças a um motor e elementos de transmissão posicionados sob a

base no qual se encontra instalado o vínculo. O vínculo sobre esta base está

instalado na posição vertical em relação ao seu comprimento.

O segundo vinculo, o mais distante da base, encontra-se ligado ao primeiro

vinculo por um eixo, que possibilita o movimento de subida e descida do braço

proporcionado pelo motor de passo acoplado perpendicularmente a este eixo, tendo

o seu movimento transmitido por engrenagens cônicas de dentes retos.

Page 35: TCC - ROBO - ETE

34

Na outra extremidade deste vinculo temos o elemento terminal que

manipulará o corpo em questão. Este elemento é uma garra pneumática que possui

articulação móvel através de determinação de posição com parafusos, não podendo

ser alterada.

12. Eletrônica

A eletrônica utilizada no projeto consiste na adoção de dois drives de

controle de motor de passo que através de programação própria e dedicada,

realizam o controle de rotação de dois motores diferentes. Cada drive utiliza suas

saídas para enviar o fim de movimento e suas entradas para detectar o sinal externo

para seu acionamento. Os dois motores do braço estão ligado em 24Vcc e possui

uma corrente de 2,8A, utiliza para sua ligação 8 fios, dos quais alguns devem ser

unidos para o correto funcionamento em paralelo, como apresentado no fragmento

do manual de usuário da Applied Motion referente aos drives 3540i apresentado

abaixo:

Figura 18 - Ligação do motor de 8 fios 24 V/2,8A da empresa Applied Motion

nas saídas de controle do drive (User’s Manual 3540i Step Motor Drive – Applied Motion

Page 36: TCC - ROBO - ETE

35

13. Programação

Foi realizado download dos softwares da empresa Applied Motion utilizados

para programação e configuração dos drives de controle. Com estes softwares foi

possível que utilizássemos as entradas e saídas dos drives para assim realizar a

comunicação com o microcomputador. Antes de iniciar a programação do drive,

deve haver a configuração do mesmo no modo “software”, retirando do modo

“RS232”, pois neste modo utilizamos os drives em uma rede, mas nesta aplicação

não se faz necessária este tipo de modo e não será utilizado. Para selecionarmos

este modo no drive de controle, foi utilizado o software SCL Utility, abaixo segue tela

do programa no qual o comando PM1, o qual muda o drive para o modo “software”,

conectando-se para isto a porta serial COM1 do microcomputador na entrada de

comunicação RS232 com conector RJ11 do drive:

Figura 19 - Tela do software SCL Utility utilizado para configuração do modo do drive 3540i

Page 37: TCC - ROBO - ETE

36

O software Si Programmer, de fácil interface, permite realizar comentários,

aguardar entradas, controlar saídas, realizar o cálculo de velocidade e

posicionamento com encoders, curva de aceleração entre outras diversas funções.

Na aplicação do projeto, as combinações de sinais de saída e entrada controlam os

drives entre si, com sinalizações de finais de movimentos e determinação destes

movimentos. Segue tela inicial do software, em configuração para 2,8A, sendo assim

utilizada para controle do motor de 24Vcc:

Figura 20 - Tela de programação do software Si Programmer V2.7.19 da

empresa Applied Motion,utilizado para realizar o controle dos motores

Podemos visualizar na tela acima que conseguimos determinar qual a porta

de comunicação serial será utilizada, sendo assim, podemos utilizar até 10 drives

com uma placa muti-serial conectada na placa mãe. Neste projeto, após descarregar

o software nos drives, não é necessário manter as placas conectadas, então,

utilizamos a mesma porta de comunicação do PC (COM1) para programar os dois

drives e eles funcionam independentes do microcomputador.

Page 38: TCC - ROBO - ETE

37

Figura 21 - Cabo para programação do drive de

motor de passo via RS232 utilizando a porta COM1 do notebook

Para testes do projeto, foram utilizados alguns programas simples de

acionamentos através do software Si Programmer. A seguir uma tela exemplo da

programação para testes do motor da base.

Figura 22 - Tela de testes do motor da base no programa Si programmer

Page 39: TCC - ROBO - ETE

38

14. Fonte de Alimentação

A fonte utilizada no projeto é alimentada com 110 ou 220 Vca, que após

sofrerem transformação com ponte retificadora, fornecem em suas saídas 24 Vcc e

podem ser utilizados ligando-se a carga ao borne respectivo da tensão necessária.

15. Fluxograma

Para a programação, foi seguido um fluxograma para o acionamento dos

passos. Abaixo, segue exemplificado como são acionadas as diferentes partes do

projeto:

Page 40: TCC - ROBO - ETE

39

Page 41: TCC - ROBO - ETE

40

Figura 23 - Fluxograma de acionamentos do projeto

Page 42: TCC - ROBO - ETE

41

16. Diagrama de acionamentos

A ligação dos componentes eletroeletrônicos foi realizada seguindo-se

o diagrama de acionamentos apresentado abaixo, com as respectivas

empresas fabricantes dos componentes e da pneumática que atua no

conjunto.

Figura 24 - Diagrama de acionamentos dos componentes

Eletroeletrônicos/pneumáticos

Como vemos, através da programação pelo microcomputador, os drives são

controlados e acionam a garra em uma de suas saídas.

Page 43: TCC - ROBO - ETE

42

17. Resultados

Considerando o objetivo de construir uma estrutura mecânica que

constituísse um braço movimentado basicamente por motores, o grupo obteve

sucesso em concluir a atividade com o êxito esperado, pois a automação para este

projeto foi implementada e estabelecida de maneira satisfatória.

A proposta de realizar nossa primeira automação de uma estrutura

mecânica como aspirantes a futuros técnicos em automação industrial foi almejada

em todo período letivo do curso e podemos concluir este trabalho afirmando o

sucesso de nossa busca.

18. Conclusão

Com a finalização do robô manipulador e do trabalho de conclusão de

curso, todo o grupo, alem de treinar habilidades aprendidas durante as aulas

teóricas e práticas, pode perceber o quanto cresceu e aprendeu com o decorrer do

curso.

Observamos que a maturidade para planejar e desenvolver trabalhos

melhores veem com o tempo, e que a interação entre colegas de sala e professores

é indispensável para o aprendizado da convivência social e profissional. Unindo as

responsabilidades e características desenvolvidas por nós ao longo deste um ano e

meio, comprovamos que cada minuto trabalhando juntos, adicionou qualidades

positivas ao caráter profissional, este que constitui um dos mais importantes

aspectos de desempenho que teremos para oferecer no mercado de trabalho.

Page 44: TCC - ROBO - ETE

43

19. Sugestões

● Implementação de uma esteira transportadora: com um sistema de esteira

dotada de inversor de freqüência e sensores, poderia trabalhar com sistema de

encoder para acompanhamento da velocidade da esteira e manipular os objetos em

um sistema de malha fechada, onde, com determinados cálculos complexos, poderia

realizar o sistema de “ conveyor tracking”, ou seja, sem a parada da esteira, há a

manipulação das peças e componentes

● Criação de um controle por software supervisório: Através da visualização

da velocidade de trabalho do robô e das peças que manipula por minuto, pode ser

realizado cálculo de economia na comparação com manipulação manual realizada

com operador junto à esteira.

● Adaptação de um terceiro eixo (“pulso”), o qual possibilitaria um movimento

rotacional podendo assim o robô manipulador se adequar ao formato da peça e o

modo como será manipulada.

Page 45: TCC - ROBO - ETE

44

20. Referências Bibliográficas

Livros:

KOIVO, Antti J. Fundamental for Control of Robotic Manipulators. New York:J.Wiley

& Sons, 1989 468p.

SILVEIRA, Paulo R. da; SANTOS, Winderson E. Automação e Controle Discreto .

4.ed. São Paulo: Érica, 2002 236 p.

CASILLAS, A.L. – Máquinas 19a ed. São Paulo: Editora Mestre Jou, 1961

Links da Internet:

Manual dos drives - http://www.omega.com/manuals/manualpdf/3540i_manual.pdf

Software Applied Motion - http://www.applied-motion.com/software/index.php

Automação - http://pt.wikipedia.org/wiki/Automa%C3%A7%C3%A3o

Motores de Passo - http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_passo

http://www.geocities.com/CollegePark/Dorm/8863/motordepasso.htm

Leonardo Da Vinci - www.leonardo-da-vinci-biography.com

Page 46: TCC - ROBO - ETE

45

21. Apêndices

Page 47: TCC - ROBO - ETE

46

Apêndice A

Previsão de custo

Page 48: TCC - ROBO - ETE

47

Previsão de Custos

Acrílico 50,00 reais

Engrenagens cônicas 200,00 reais

Engrenagem reta 100,00 reais

Canaleta de Alumínio 50,00 reais

Garra Pneumática 1.300,00 reais

Sensor 80,00 reais

Manômetro 90,00 reais

Válvula com Solenóide 350,00 reais

Esferas 30,00 reais

Motores de passo 800,00 reais

Drive 700,00 reais

Disjuntor 40,00 reais

Fonte 24 v 60,00 reais

Mangueira, fios, conectores 30,00 reais

Total R$ 3.880,00 reais

Figura 25 – Tabela de custos

Page 49: TCC - ROBO - ETE

48

Apêndice B Vista do projeto

Page 50: TCC - ROBO - ETE

49

Figura 26 - Vista geral do projeto

Page 51: TCC - ROBO - ETE

50

Apêndice C Esquema Elétrico

Page 52: TCC - ROBO - ETE

51

Figura 27– Esquema elétrico

Page 53: TCC - ROBO - ETE

52

Apêndice D Esquema pneumático da garra

Page 54: TCC - ROBO - ETE

53

Figura 28 - Esquema pneumático da garra projetado

no software FluidDraw da empresa Festo

Page 55: TCC - ROBO - ETE

54

Apêndice E Lista de Símbolos

Page 56: TCC - ROBO - ETE

55

Lista de Símbolos

A seguir lista de símbolos conforme a seqüência em que apareceram no

trabalho:

Kgf Kilograma-força Unidade de medida de força

Mm Milímetro unidade de medida de comprimento

Nm Newton-metro unidade de medida de torque

Z número de dentes de engrenagens

Vcc Volts - corrente contínua unidade de medida de tensão

Vca Volts - corrente alternada unidade de medida de tensão

Kg Kilograma unidade de medida de massa N Newton Unidade de medida de força

M Metro unidade de medida de comprimento

m/s2 metro por segundo ao quadrado unidade de medida de aceleração

Kg.cm Kilograma-centímetro unidade de medida de torque

A ampere unidade de medida de corrente

Bar Bar unidade de medida de pressão

Figura 29 - Tabela de símbolos

Page 57: TCC - ROBO - ETE

56

22. Anexos

Page 58: TCC - ROBO - ETE

57

Anexo 1

Curvas de torque do motor da articulação

Page 59: TCC - ROBO - ETE

58

Figura 30 -Curvas de torque

Page 60: TCC - ROBO - ETE

59

Anexo 2 Manual do SCL Utility utilizado para configurar o modo do drive

Page 61: TCC - ROBO - ETE

60

Figura 31- Manual do Drive

Page 62: TCC - ROBO - ETE

61

Anexo 3 Páginas do livro Máquinas (Casillas, 1961) utilizadas para confecção das

engrenagens

Page 63: TCC - ROBO - ETE

62

Page 64: TCC - ROBO - ETE

63

Figura 32- Páginas do livro Máquinas (Casillas)

Page 65: TCC - ROBO - ETE

64

Anexo 4 Manual do drive 3540i da empresa Applied Motion

Page 66: TCC - ROBO - ETE

65

Page 67: TCC - ROBO - ETE

66

Figura 33- Manual do drive 3540i