Baixe Revista Mecatronica Facil - Edicao 001 e outras Notas de estudo em PDF para Mecatrônica, somente na Docsity! PROJETO Octa-I é um robô capaz de desviar de obstáculos. Ao se deparar com um, ele pára, dá um giro de 45º e segue em frente, até encontrar um novo obstáculo. Isto permite que ele possa, por exemplo, sair de um labirinto. O melhor de tudo isto é que ele é um robô que você mesmo pode construir. A Mecatrônica é um campo do conhecimento humano que tende a crescer muito nos próximos anos. É possível constatar nos dias de hoje, por exemplo, o nível de automação nas indústrias que cada vez mais utilizam robôs na linha de produção de seus produtos. Estes robôs não se parecem com os que vemos nos filmes de ficção científica onde, normalmente, se movimentam e, invariavelmente, acabam por querer dominar o mundo. Se este tipo de coisa acontecerá ou não nós não sabemos, mas o que sabemos é que se quisermos ter o controle da situação e um bom emprego no futuro, deve- mos começar desde já a aprender como um robô funciona e como fazer para programá-lo. Nos Es- tados Unidos existem diversas competições de robôs e as escolas montam diversos times para competir entre si e os melhores são mandados para competições estaduais e nacionais. Infe- lizmente aqui no Brasil ainda não temos nada que se compare a isto, mas se não começarmos logo, iremos ficando cada vez mais deslocados. O Octa-I, o robô descrito neste artigo, poderia servir de base para uma competição semelhante ao que vemos lá. Este artigo permitirá construir um robô com as se- guintes características: OCTA-I – O ROBÔ QUE DESVIA DE OBSTÁCULOS Octavio Nogueira Tato Equipamentos Eletrônicos MECATRÔNICA FÁCIL Nº 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/20014 PROJETO Sistema motriz: Dois servo motores com veloci- dade variável e inversão do sentido de giro. Sensor: O sonar, permite determinar a distância que o robô está de um objeto. Com este sensor o robô pode se movimentar desviando de obstáculos. Microcontrolador: É a parte principal do robô pois é onde as informações dos sensores serão avalia- das e onde serão tomadas as decisões. Alimentação: Fornece energia para o robô se mo- vimentar. A seguir serão explicados com mais detalhes os itens acima: SISTEMA MOTRIZ O Octa-I possui dois servos motores. Eles se di- ferenciam dos motores normais pois permitem que a velocidade seja variada através do tamanho dos pul- sos que são enviados. Eles possuem três terminais sendo eles; terra, ali- mentação de 5 V e controle. O sinal de controle é um trem de pulsos com duração entre 1 ms e 2 ms e um período de 10 ms, ou seja, pulsos de 1 ms a 2 ms com um intervalo entre eles de 10 ms. Quando o pulso tem 1,5 ms o motor está parado, quando tem 1 ms o motor gira a velocidade máxima em um sentido e quando está em 2 ms, gira a velocidade máxima no outro sentido. Nós não precisamos enviar pulsos de 1 ms e 2 ms. Quaisquer valores entre estes limites farão o motor se mover, por exemplo se quisermos fazer o robô se mover lentamente para frente, poderíamos enviar pulsos de 1,6 ms e se quisermos que o robô vire, mandamos pulsos de 1,6 ms para um motor e 1,4 ms para o outro. Com estas durações de pulsos, um motor vai se mover lentamente para frente e o outro lenta- mente para trás. Um aspecto importante a lembrar é que o motor precisa receber um pulso a cada 10 ms para conti- nuar se movimentando, se pararmos de mandar pul- sos ele pára. SENSOR O sonar é um dos sensores mais interessantes, pois faz com que o robô “saiba” a distância que está de um objeto, permitindo com isto que ele desvie e não colida com o mesmo. Figura 1 - Representação e aspecto dos servo-motores. Figura 2 - Pulsos de controle dos servo-motores. O funcionamento do sonar é o seguinte: ele envia um pulso ultra-sônico muito curto e fica esperando o seu retorno. O pulso vai viajar a uma velocidade aproxi- mada de 340 m/s, bater em um obstáculo e retornar. Assim que retornar, o módulo do sonar calcula o tempo que o pulso levou para ir e voltar. Como sabemos a velocidade do pulso e o tempo que ele levou para ir e voltar, é possível calcular a distância que ele percorreu. A diferença deste sensor para os outros que de- tectam obstáculos, como os ópticos, é que o sonar nos permite saber a distância exata do obstáculo. Imagine que o seu robô está participando de uma competição onde ele tem que sair de um labirinto, se estivesse usando um sensor óptico ele teria que an- dar até encontrar uma parede e então ir seguindo a parede até achar uma porta e seguir este processo para caminhar pelo labirinto. Utilizando o sonar ele poderia fazer um giro de 360 graus sobre o seu eixo, fazendo medições de distância a medida que girasse e, após isto, saberia em qual sentido deveria se mo- ver para passar pela porta. “CÉREBRO” OU PROCESSADOR CENTRAL Um dos grandes problemas de quem quer come- çar a aprender ou se aprofundar em Robótica é ter que aprender a linguagem de programação do robô. Figura 3 - O sonar. 7MECATRÔNICA FÁCIL Nº 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001 PROJETO ao pino 5 do BASIC Step 2K, o fio G ao terra e o fio de saída ao pino 18 (PB2) do BASIC Step 2K; 4 – Ligue o terra do suporte de pilhas ao terra do BASIC Step 2K (pino2); 5 – Ligue o terminal positivo do suporte de pi- lhas ao anodo do diodo e o catodo do mesmo à chave liga/desliga e desta para o pino 5 do BASIC Step. Com isto terminamos as ligações elétricas e ago- ra nosso robô precisa de um programa para executar. A programação, como vimos anteriormente, é feita através compilador Bascom. Figura 7 - Esquema elétrico da montagem. Figura 6 - Montagem da placa-suporte do BASIC Step 2K. Após o programa ter sido compilado sem erros, conectamos o cabo de gravação e transferimos o pro- grama para o microcontrolador. O site da Tato Equipamentos Eletrônicos é http:// www.tato.ind.br, onde você pode adquirir todos os com- ponentes necessários para a montagem elétrica do seu robô bem como o compilador e programas de exemplo para testar o seu robô. O código-fonte completo do programa elaborado para o Octa-I está disponível para download no site: http://www.mecatronicaatual.com.br. Figura 8 - Montagem das placas no chassi do robô. MECATRÔNICA FÁCIL Nº 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/20018 PROJETO O nosso protótipo foi construído em um chassi de dois níveis; inferior com os dois redutores e a roda livre e; superior com os circuitos eletrônicos e a cai- xa de pilhas. Os materiais utilizados foram chapa de plástico estireno de 2 mm e chapa de acrílico transparente de 2 mm. A escolha de um chassi com essa configura- ção se deu com o intuito de obter uma melhor distri- buição de peso sobre uma base de três apoios (as duas rodas motrizes dos redutores e a roda livre). Distribuímos as rodas de modo a formar com elas um triângulo quase eqüilátero, isso facilita a mobili- dade do robô e, os circuitos na parte elevada ficam com o acesso mais fácil além de se conseguir uma A ESTRUTURA DE PLÁSTICO DO OCTA-I José Francci Júnior Plastimodelista melhor “leitura” dos sensores com uma maior distân- cia deles em relação ao solo. Com base nessas informações use sua criatividade, você poderá usar muitos materiais dife- rentes para a construção do chassi tais como: cha- pas metálicas diversas, eucatex, madeira compen- sada fina, etc...No site http://www.mecatronica atual.com.br você encontrará alguns desenhos com as principais medidas do chassi do Octa-I, para aju- dar na elaboração do seu próprio modelo. Tenha sempre em mente uma construção com- pacta e firme, dê especial atenção ao alinhamento do sistema motriz e proteja os circuitos do pó com uma tampa ou cobertura, bom trabalho e divirta-se! Figura 9 - Montagem da roda no servo-motor. Figura 10 - Vista superior traseira do Octa-I, onde se pode perceber os detalhes da "roda boba" e da chave liga/desliga. Figura 11 - Mais alguns detalhes da montagem do chassi do Octa-I. 9MECATRÔNICA FÁCIL Nº1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001 ELETRÔNICA I I º / - / 9 ELETRÔNICA BÁSICA PARA MECATRÔNICA 1ª Parte Newton C. Braga INTRODUÇÃO Há alguns anos atrás, para insta- lar uma máquina automatizada numa indústria era preciso contar com a aju- da de três profissionais. Um Engenheiro Mecânico, even- tualmente com especialização em pneumática, para colocar a máquina em seu lugar de funcionamento fa- zendo as conexões e montagens de todas suas partes; um Engenheiro Eletrônico para instalar os dispositivos de controle e finalmente um especia- lista em software para elaborar os pro- gramas de controle desta máquina. As coisas mudaram e hoje em dia para a mesma tarefa e também para a própria manutenção desta máquina é preciso apenas um profissional: o especialista em Mecatrônica. Mecatrônica é a união da eletrôni- ca com a mecânica criando automa- tismos, robôs, equipamentos de uso industrial e doméstico, veículos e che- gando a um dos ramos mais fascinan- tes da tecnologia que é construção de dispositivos dotados de inteligên- cia artificial. No entanto, o conhecimento de Eletrônica necessário para os que pre- tendem se tornar profissionais desta ciência nem sempre pode ser adqui- rido com facilidade por publicações comuns ou mesmo adquiridos em cursos regulares. De fato, nos tempos antigos a Eletrônica era vista como uma ci- ência definitiva, que era estudada para se trabalhar nela. E, neste ponto as coisas também mudaram em nossos dias: a Eletrônica é uma matéria a ser estudada para se apli- car em outras ciências como a Informática, as Telecomunicações e evidentemente a Mecatrônica. Com estas mudanças é preciso adequar a Eletrônica à aplicação e isso é válido no nosso caso. A finalidade aqui é justamente possibilitar a leitores de todos os ní- veis que desejam de alguma forma entrar no campo fascinante da Mecatrônica entender a Eletrônica básica usada em seus dispositivos. Nossa abordagem justamente será dada de uma forma que os fundamentos aqui ensinados pode- rão servir de base para cursos técnicos, disciplinas eletivas de cursos de segundo grau e até mesmo para o aquele que nunca teve contato com a Mecatrônica e deseja construir seus próprios dispositivos mecatrônicos. Analisaremos o princípio de fun- cionamento de componentes e circui- tos que podem ser usados nos pro- jetos de Mecatrônica de todos os ní- veis, tanto os que podem ser elabo- rados com finalidades didáticas e re- creativas até os que são encontra- dos em aplicações industriais. Veremos todos os tipos de apli- cações práticas incluindo sensores, circuitos específicos, o uso do com- putador e de microprocessadores e os softwares que podem ser empre- gados tanto em controle como sensoriamento. MECATRÔNICA FÁCIL Nº1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001 ELETRÔNICA 12 Transformadores Os transformadores são compo- nentes formados por duas bobinas ou enrolamentos num núcleo ou forma comum. O núcleo pode ser de lâmi- nas de ferro ou ferrite. O símbolo e aspecto destes componentes é mos- trado na figura 7. Os transformadores são usados para alterar as característica de um sinal ou ainda uma tensão alternada. O tipo mais usado de transformador é o denominado “transformador de ali- mentação” ou “transformador de for- ça”. Este tipo de transformador é usa- do em fontes de alimentações tanto para reduzir a tensão da rede de ener- gia para um valor menor de acordo com a aplicação, como para isolar a rede de energia evitando assim cho- ques em quem tocar no circuito do aparelho. Os transformadores são especifi- cados pela tensão de entrada (primá- rio), tensão de saída e corrente de saída (secundário). Além desses podemos citar os sensores, que podem ser construídos com lâminas e contatos, que falare- mos quando entrarmos nos circuitos que os utilizam. b) Componentes ativos Os componentes ativos são aque- les que podem gerar ou amplificar si- nais, os quais dividimos em dois gru- pos principais. O primeiro, mais anti- go e não muito usado atualmente a não ser em aplicações especiais são os que trabalham com base em tubos de gás ou vácuo, ou seja, válvulas e o segundo o mais moderno que trata das propriedades dos materiais semicondutores, ou seja, dos disposi- tivos de estado sólido. Em nosso curso trataremos basi- camente dos componentes de estado sólido que são: Transistores bipolares Os transistores são componentes formados por três pedaços de mate- riais semicondutores como o silício P e o silício N formando a estrutura mostrada na figura 10. Nesta figura também mostramos o símbolo usado para os dois tipos de transistores mais usados que são os do tipo NPN e PNP. Os transistores são os componen- tes mais importantes dos circuitos Figura 5 - Transformador: símbolo e aspecto. Figura 6 - Diodos. Existem tipos especiais de diodos que podem operar como transdutores e dos quais falaremos oportunamente. Transdutores ou sensores Existem diversos tipos de disposi- tivos que podem ser usados para con- verter sinais elétricos em formas de energia diferentes como som, luz, etc. e dispositivos que servem como sensores. Na figura 9 temos alguns deles. a) Alto-falantes – convertem ener- gia elétrica em sons. São especifi- cados pela impedância em ohms, potência em watts e pelo tamanho; b) Transdutores piezoelétricos – são pastilhas de uma cerâmica es- pecial que pode converter sinais elé- tricos em som; c) Lâmpadas – convertem ener- gia elétrica em luz; d) LEDs – são tipos especiais de diodos (diodos emissores de luz) que convertem energia elétrica em luz; e) Motores – convertem energia elétrica em movimento e força me- cânica; f) Solenóides – convertem ener- gia elétrica em mecânica; g) Elementos de aquecimento – convertem energia elétrica em calor; h) Foto-resistores ou LDRs – são sensores de luz; i) Termistores – são sensores de calor; j) Foto-diodos – são diodos usa- dos como sensores de luz; k) Chaves de mercúrio – são sensores de posição. Diodos Os diodos são componentes semicondutores que conduzem a cor- rente num único sentido. Na figura 8 temos os símbolos e aspectos dos diodos mais usados nos circuitos prá- ticos de Mecatrônica. Estes componentes podem ser especificados pela tensão e correntes máximas de trabalho ou ainda por um símbolo formado por letras e núme- ros dado pelo fabricante como 1N4002, 1N4148, BA315, etc. Os diodos possuem uma faixa em seu invólucro que permite identificar seu catodo. Figura 7 - Transdutores. 13MECATRÔNICA FÁCIL Nº1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001 ELETRÔNICA eletrônicos, pois podem gerar e am- plificar sinais além de funcionar como chaves controladas eletrônicamente. Na figura 11 temos os aspectos de alguns transistores comuns. No grupo (a) temos os transisto- res de baixa potência que são desti- nados a trabalhar com correntes pou- co intensas. Em (b) temos os transis- tores de média e alta potência que são usados para controlar correntes inten- sas como, por exemplo, as que cir- culam por um motor. Estes transis- tores são dotados de elementos para instalação num radiador de calor, con- forme mostra a figura 12. Observe que os transistores pos- suem terminais de emissor (E), coletor (C) e base (B) e devem ser ligados corretamente em qualquer projeto. Os transistores são indicados, de fábrica, como BC548, 2N2222, BF494, etc. Para usar um transistor é preciso ter em conta a tensão máxima, a cor- rente máxima e o ganho (fator de am- plificação) que pode variar entre 5 e 10000. Na operação normal, a corrente aplicada à base do transistor contro- la a corrente que circula entre o emis- sor e o coletor. Transistores de efeito de campo Um tipo de transistor muito usado atualmente é o FET ou Filed Effect Transistor (Transistor de Efeito de Campo) cujos símbolos e aspectos são mostrados na figura 13. Tiristores Os tir istores são dispositivos semicondutores destinados ao contro- le de correntes intensas, havendo dois tipos principais que podemos encon- trar nos projetos de Mecatrônica: os SCRs (Diodos Controlados de Silício ou Silicon Controlled Rectifier) e os TRIACs cujos símbolos e aspectos são mostrados na figura 15. Os SCRs disparam quando um pulso de tensão é aplicado na sua comporta (gate). Nos circuitos de cor- rente contínua os SCRs permanecem em condução mesmo depois que o pulso desaparece. Para desligá-los é preciso interromper a alimentação. Os SCRs conduzem a corrente num úni- co sentido como os diodos. Já os TRIACs conduzem a corren- te nos dois sentidos quando dispara- dos e por isso são indicados para o controle de dispositivos em circuitos de corrente alternada.Os SCRs e TRIACs comuns podem controlar cor- rentes que vão de 500 mA a mais de 1000 A. Os de maior corrente são do- tados de recursos para montagem em dissipadores de calor. Figura 9 - Aspectos dos transistores. Figura 10 - Transistor montado em radiador de calor. Figura 11 - Os transistores de efeito de campo. Nestes transistores a tensão apli- cada à comporta (g) controla a cor- rente que circula entre o dreno (d) e a fonte (s). Os pequenos transistores de efei- to de campo podem ser usados como amplificadores e osciladores enquan- to que os maiores denominados POWER FETs ou ainda POWER MOSFETs ou transistores de efeito de campo de potência podem con- trolar correntes muito intensas (de até dezenas de ampères) sendo por isso muito empregado em controles de motores nos projetos de Mecatrônica. Basta aplicar uma tensão positiva de alguns volts na comporta de um Power FET para que a resistência en- tre o dreno e a fonte (Rds) se reduza a uma fração de ohm e uma corrente muito intensa possa circular alimen- tando um circuito externo como mos- tra a figura 14. Os FETs de potências são indica- dos por siglas como IRF6490, IRF132, etc. Figura 13 - SCRs e TRIACs. Figura 8 - Transistores bipolares. Figura 12 - Controlando um motor com um Power MOSFET ou Power FET. MECATRÔNICA FÁCIL Nº1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001 ELETRÔNICA 14 Circuitos Integrados Num único invólucro podem ser encontrados conjuntos de componen- tes já interligados de modo a formar um circuito que exerça determinada função como, por exemplo, um am- plificador, um circuito de controle, um oscilador, etc. Os dispositivos deste tipo recebem o nome de circuitos in- tegrados e são representados por sím- bolos que na verdade apenas dão o seu tipo e não o circuito equivalente interno, conforme mostra a figura 16. O uso de circuitos integrados sim- plifica o projeto já que alguns tipos podem conter centenas de transisto- res, resistores e outros componentes já interligados e prontos para uso ne- cessitando apenas poucos componen- tes adicionais externos. Na figura 17 temos os aspectos mais comuns dos circuitos integrados que podemos encontrar nos trabalhos de Mecatrônica. Figuras 14 - Símbolos dos CIs. Figura 15 - Aspectos dos CIs. Alguns circuitos integrados que se destinam ao controle de altas corren- tes, por gerarem bastante calor ao fun- cionar, são dotados de recursos para a montagem em radiadores de calor. Os circuitos integrados são espe- cificados por grupos de letras e núme- ros como, por exemplo, LM555, CA3140, 4017, NE567, etc. Nas listas de materiais dos projetos, é comum acrescentar-se a função do circuito integrado como, por exemplo, timer (temporizador), circuito lógico (CMOS ou TTL), regulador de tensão, etc. Os microprocessadores e os microcontroladores são um tipo especial de circuito integrado que se destinam ao controle e processamento de informações na forma digital. Alguns micropro- cessadores podem conter mais de 5 mi- lhões de transistores em seu interior. c) Acessórios Os acessórios são partes de um projeto que não fazem propriamente parte dos circuitos, mas que são im- portantes. Estes componentes susten- tam partes de circuito ou fazem sua conexão. Temos os seguintes exemplos: Placas de circuito impresso Os componentes eletrônicos são montados e soldados em placas de materiais isolantes onde existem gra- vadas trilhas de cobre que funcionam como os fios de ligação entre estes componentes. Elas são denominadas placas de circuito impresso. Na figura 18 temos um exemplo de placa. O padrão ou desenho das trilhas de cobre de uma placa depende do circuito que vai ser montado. Assim, para as fábricas o que se tem é um projeto e uma produção em massa para a placa que vai suportar o circui- to determinado em fabricação. Para a montagem de um protótipo, como ocorre num laboratório de Meca- trônica ou por um amador, por exem- plo, a placa deve ser projetada e manufaturada individualmente. O projeto pode ser feito manual- mente ou por meio de programas como o MultiSIM da Electronics Workbench que simula o circuito e desenha sua placa. As placas são então gravadas e corroídas utilizan- do-se kits que contém as substân- cias necessárias a isso. Figura 16 - Placas de circuito impresso. 17MECATRÔNICA FÁCIL Nº1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001 ELETRÔNICA A chave S1 faz com que o motor gire num sentido e noutro, a chave S 2 liga e desliga o motor e a chave S3 muda sua velocidade. Quando a chave está aberta os diodos redu- zem a tensão aplicada ao motor. Cada diodo de silício pode reduzir em 0,7 V a tensão. Quando a chave está fechada o motor recebe a alimenta- ção total e roda com máxima veloci- dade (e potência). Podemos usar dois diodos para reduzir em 1,4 V a tensão ou três diodos para reduzir em 2,1 V. Uma aplicação interessante num projeto de Mecatrônica para este cir- cuito é o elevador mostrado na figura 24 em que temos um controle sobe- desce pela inversão do motor, e de força conforme o peso que ele tem de manusear. c) Ligação Série e Paralelo Motores e outras cargas além de fontes de energia podem ser ligados em série ou em paralelo. Quando ligamos pilhas em série as suas tensões se somam, e quando li- gamos em paralelo aumentamos sua capacidade de fornecimento de cor- rente mas a tensão se mantém con- forme mostra a figura 25. Para as as cargas também pode- mos ligá-las em série ou em paralelo conforme mostra a figura 26. Veja na mesma figura o que ocor- re com as correntes e tensões nos dois casos. Podemos mostrar o que acontece com as tensões na prática usando duas lâmpadas de 6 V x 50 mA e qua- tro pilhas comuns no experimento da figura 27. Quando as pilhas estão em para- lelo a tensão em ambas é 6 V e elas acendem com máximo brilho. Quan- do são ligadas em série cada uma re- cebe apenas 3 V e elas acendem com brilho reduzido. l Figura 23 - Associando pilhas. Figura 24 - Ligação de cargas em série e em paralelo. Figura 25 - Experiência prática: ligação série/paralelo. Na próxima edição: Os Motores de Corrente Contí- nua e Circuitos de Controle. MECATRÔNICA FÁCIL Nº 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/200118 PNEUMÁTICA INTRODUÇÃO Atualmente, as empresas insta- ladas em nosso país estão, cada vez mais, preocupadas com a evolução da concorrência internacional, as quais oferecem produtos de alta qua- lidade e com preços competitivos, re- sultados dos investimentos realiza- dos ao longo destes anos na Automação Industrial. Seja na área produtiva, controle de materiais, con- trole de qualidade, embalagens, pro- dutividade, segurança, entre outros, estas empresas estão procurando a melhor solução para enfrentar a con- corrência acirrada provocada pelas necessidades de consumo cada vez maior em nosso Planeta. E o cami- nho encontrado está relacionado na “Automação”. No Brasil, são poucas as Empresas preocupadas em orientar seus Enge- nheiros, Técnicos em Instrumentação e/ou em Mecatrônica, para o campo da “Automação Industrial” devido à falta de pessoal qualificado. O objetivo principal desta série de artigos será preparar os leitores para o segmento da “Automação Pneumática”, enfocando te- mas como, por exemplo, des- de a instalação de um com- pressor de ar comprimido até os comandos de contro- ladores lógicos, onde a Pneu- mática e a Eletrônica se fazem presentes, percorrendo juntas para as mais diversas aplicações. Este programa será desenvolvi- do através de partes publicadas nes- ta revista, cuja pretensão não será a de transformá-las num “Manual Com- pleto de Automação Pneumática” e sim, fornecer requisitos básicos para que os leitores possam ter uma inicia- ção aos projetos pneumáticos, levan- do em consideração: a geração do ar comprimido, sua preparação e trata- mento, seus comandos, cálculos de consumo, vazão, entre outros pontos de fundamental importância para que no final atenda suas expectativas de utilização. Em resumo, estaremos sempre enviando informações atualizadas e seguras, complementando com arti- gos técnicos, visando a preparação dos alunos para o desenvolvimen- tos nos mais variados setores da Automação Industrial e com as mais modernas utilizações desta fonte de energia, o ar comprimido. UM POUCO DA HISTÓRIA DO AR COMPRIMIDO O ar comprimido adquiriu impor- tância em aplicações industriais, so- mente na segunda metade do sécu- lo XIX. No entanto, sua utilização é anterior à Da Vinci que, em seus inú- meros inventos, utilizou a energia do ar comprimido. AUTOMAÇÃO PNEUMÁTICA 1ª parte José Carlos Amadeo Centro Universitário Salesiano de São Paulo 19MECATRÔNICA FÁCIL Nº 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001 PNEUMÁTICA Na fundição da prata, do ferro, do chumbo e do estanho, são encontra- das referências do ar comprimido datadas no Velho Testamento. A his- tória conta que, há mais de 2.000 anos, técnicos da época construíram máquinas pneumáticas, utilizando para tal fim, um Cilindro de madeira dotado de um êmbolo. Já o vento era aproveitado pelo antigos, utilizando sua força gerada pela dilatação do ar aquecido. Em Alexandria, centro cultural do mundo helênico, foram cons- truídas as primeiras máquinas, no III século A C. Neste período, Ctesibios fundou a Escola de Mecânicos em Ale- xandria, tornando-se o precursor da técnica para comprimir o ar. Na mes- ma época, um grego chamado Hero, escreveu um artigo de dois volumes sobre as aplicações do ar comprimi- do e do vácuo. Tais inventos, por falta de recur- sos e de materiais adequados, não foram amplamente utilizados. Suas técnicas eram depreciadas, a não ser que estivesse à serviço dos reis e do exército, para aprimoramento de armas de guerra. Durante um longo período, a ener- gia pneumática sofreu uma paralisa- ção, renascendo somente nos sécu- los XVI e XVII, com as descobertas de Galileu, Otto Von Guericke, Robert Boyle, Bacon e outros, que passa- ram a observar as leis naturais so- bre compressão e expansão dos gases. Leibiniz, Huyghnes, Papin e Newcomem são considerados os pais da Física Experimental, sendo que os dois últimos consideravam a pres- são atmosférica como uma força enorme contra o vácuo efetivo, que era o objeto das Ciências Naturais, Filosóficas e da Especulação Teoló- gica desde Aristóteles até o final da época Escolástica. No final deste período, o Evange- lista Torricelli, inventa o barômetro, um tubo de mercúrio para medir a pressão atmosférica. Com a invenção da máquina de vapor, por Watts, tem início a era da “máquina” e, no decorrer dos sécu- los, surgiram várias maneiras de uti- lização do ar, proporcionando, desta forma, maiores conhecimentos físicos e alguns instrumentos de medição. Neste longo caminho, das máqui- nas impulsionadas por ar comprimi- do, na Alexandria, até nos dias de hoje, com o desenvolvimento da Ele- trônica, o homem sempre tentou “apri- sionar esta energia”, colocando-a aos seus serviços, controlando e trans- formando-a em trabalho. O termo pneumática é derivado do grego Pneumos ou Pneuma, que quer dizer: respiração, sopro, e é de- finido como o segmento da Física que se ocupa da dinâmica e dos fe- nômenos físicos relacionados com os gases e com o vácuo, bem como com os estudos da conversão da energia pneumática em energia me- cânica, através de seus elementos de trabalho. Voltaremos em outros capítulos a contar um pouco mais sobre a “His- tória do Ar Comprimido. PRINCÍPIOS BÁSICOS Propriedades físicas do ar Sem a existência do ar, não ha- veria vida em nosso planeta. Apesar de não possuir uma forma física, podemos notar sua presença em to- dos os lugares. Por ser elástico e compressível ocupa todo o espaço onde está contido. Sua composição principal é constituída por Nitrogênio (78,09%) e Oxigênio (20,95%). Os re- síduos de Dióxido de Carbono, Argônio, Hidrogênio, Neônio, Hélio, Criptônio e Xenônio formam os de- mais componentes desta mistura gasosa que respiramos (figura 1). Compressibilidade Um volume de ar, quando subme- tido por uma força exterior, como por exemplo, em um atuador pneumáti- co (cilindro), seu volume inicial será reduzido, revelando uma de suas propriedades: a compressibilidade, que é mostrada na figura 2. Figura 2 - Compressibilidade do ar. Figura 1 - Propriedades físicas do ar. Elasticidade Como já mencionado, o ar possui a propriedade de elasticidade, que faz com que, uma vez desfeita a função da compressibilidade, este volte ao seu volume incial (figura 3). Figura 3 - Elasticidade do ar. MECATRÔNICA FÁCIL Nº 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001 PROGRAMAÇÃO 22 APRESENTAÇÃO Este é o primeiro artigo de uma série que irá mostrar como a lingua- gem LOGO pode ser utilizada para programar o PC no controle de robôs e outros dispositivos para automação. Com a facilidade de se ter acesso a um PC junto com a linguagem LOGO, de fácil aprendizagem, con- seguimos um ótimo resultado no de- senvolvimento de programas e interfaces para estes controles. O PC atualmente está invadin- do nossos lares. Com ele conse- guimos verificar o nosso saldo ban- cário, pagar as contas, jogar entre inúmeras outras tarefas. Geralmen- te lidamos com programas prontos, que colocamos num PC e nos tor- namos meros “operadores” deles. Você já pensou em fazer um des- ses programas? Difícil! Impossível! Imaginável! Se estivermos falando de um editor de texto complexo ou um jogo simulador de Fórmula 1, realmente será uma tarefa árdua que necessitará de uma equipe com vários programadores experien- tes. Mas nem por isso você deve desanimar, pois se fosse assim ninguém começa- ria a programar computadores. Este é o papel desta revista. Vamos incentivar você a descobrir os caminhos para fazer o PC realizar diversas tarefas que você desejar. Legal? É muito legal. Você vai perceber como é interessante essa interação entre você e a máquina e, principalmente, sendo você que tem o controle do processo. Mas você pode estar se pergun- tando: Como eles vão fazer que eu faça um programa se eu não sei nada de programação? A resposta é simples: Quem vai fazer todo o trabalho será você. Como já dissemos, vamos ser os seus incentivadores. Nesa série de artigos, vamos fa- lar de teoria, mostrar exemplos práti- cos e dar sugestões para alteração dos programas. LINGUAGEM LOGO PARA ROBÓTICA E AUTOMAÇÃO 1ª Parte Luiz Henrique Corrêa Bernardes 23MECATRÔNICA FÁCIL Nº 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001 PROGRAMAÇÃO Como você vai ter “controle” de todo o processo, você vai poder mo- dificar, implementar novas funções e, inclusive, fazer novos programas. Você deve estar dizendo: Falan- do assim parece fácil, mas realmen- te qual o pré-requisito que preciso para fazer tudo isso? Como res- posta podemos dizer que além de acesso a um PC que tenha um sis- tema operacional Windows 95 ou su- perior, e o que mais será necessário é ser persistente, e não d esanimar nas primeiras dificuldades. Pois o pro- cesso de aprendizagem de programa- ção é baseado na tentativa, erro e correção do erro. É o que costuma- mos dizer de “Erra, erra, erra, erra, acerta”, o que significa que serão muito mais erros que acertos! Por isso ser persistente! Vamos começar. Mas por onde? Simples. Pelo PC. Vamos descrever, de uma maneira simples, o seu fun- cionamento e suas principais partes. Em seguida, vamos falar de lingua- gens de programação, e é ai que en- tra o LOGO. Após isso estaremos prontos para fazer os nossos primei- ros programas para controlar robôs e outros dispositivos para automação. O PC (do inglês Personal Computer – traduzindo: Computador Pessoal) é uma máquina digital feita para processar dados na forma biná- ria, isso significa que ele entende so- mente zeros e uns e nada mais. As instruções (código de máquina) que a CPU do PC executa são combina- ções de zeros e uns (ou um número binário). Veja na figura 1 as principais partes de um PC. A CPU (do inglês Central Process Unit – ou Unidade de Processamento Central) é o coração do PC. É a res- ponsável por executar as seqüências de instruções do processador. Na fi- gura 1 você pode analisar que temos mais coisas além da CPU. Entre os outros componentes importantes estão os vários tipos de memória, que são lugares onde armazena- mos dados na forma de bytes. Por- tanto um disco rígido (em inglês HD de “Hard Disk”), a unidade de dis- co flexível (em inglês floppy disk) e a memória RAM são lugares onde armazenaremos dados e programas em um PC. Para simplificarmos como uma memória funciona para a CPU, pode- mos imaginar um imenso prédio (fi- gura 2) onde cada andar armazena um dado (byte), portanto para poder- mos guardar ou pegar o dado neces- sitamos saber qual andar do dado. Isso é chamado de endereçamento, que significa que a CPU consegue manusear (ler e escrever) os dados corretamente porque ela consegue endereçar cada posição de memória. Agora, da nossa figura 1, sobrou os I/Os (do inglês Input/ Output tra- duzindo em entrada/saída) que são o teclado, vídeo, porta paralela para impressora, porta serial e joystick. Podemos dizer, de uma maneira bem simplificada, que os I/Os se compor- tam como a descrição da memória, Figura 1 - Principais partes que compõem um PC. Figura 2 - Armazenagem dos dados na CPU. BINÁRIO, BIT E BYTES Na base decimal temos 10 elementos (0 a 9) para representar números quando necessitamos representar um número maior que 9 necessitamos utilizar 2 ou mais desses elementos. Na base bi- nária o processo é o mesmo, só que temos somente 2 elementos (0 e 1), portanto se quisermos representar um número maior que 1 temos que utilizar dois ou mais desses elementos, por exemplo, 8 em decimal equivale a 1000 em binário. Portanto Bit é um desse elemento e só pode valer 0 ou 1 e Byte é o conjunto de 8 bits que pode representar um número em deci- mal de 0 a 255. MECATRÔNICA FÁCIL Nº 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001 PROGRAMAÇÃO 24 sendo que a CPU pode ler ou escrever dados nos I/Os utilizando instruções especiais. Apesar de um PC ser uma máquina complexa, o que precisaremos saber por enquanto é que no PC temos uma CPU que executa instruções manuseando dados e que tem acesso à memória e I/Os através de endereçamento. LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO Conforme já vimos, a CPU só entende instruções que são combinações de zeros e uns (números binários) e nada mais. Na realidade uma CPU não tem inteligên- cia. Ela tem, na verdade, muita rapidez, conseguindo executar uma quantidade muito grande de instruções por segundo. É possível fazer com que um computa- dor fique, “inteligente” fazendo com que ele execute um programa que é formado por várias seqüências de instruções. A maneira como montamos a seqüência em que as instruções serão executadas chamamos de Programação. Em um PC necessitamos ter um Sistema Operacional que vai gerenciar a execução dos programas. Atualmen- te, o mais utilizado é o Windows da Microsoft, que é um sistema operacional multitarefa, pois consegue gerenciar a execução simultânea de vários programas. Como já dissemos várias vezes (só para fixar!) a CPU só entende números binários, portanto um programa é uma seqüência de números binários. Você deve estar pensando: Como programar utilizando somente números binários? Realmente seria uma tarefa muito difícil e can- sativa. Entretanto, para solucionar este problema, foi de- senvolvida a linguagem ASSEMBLY, conhecida como lin- guagem de máquina onde para cada instrução da CPU é representada por um mnemônico (palavra que nos faz lembrar o funcionamento da instrução). Existe também um compilador (Assembler) que vai interpretar os mnemônicos e convertê-los para instruções binárias que a CPU entende. Apesar da linguagem Assembly ter facilitado muito a programação, ela é uma linguagem de baixo nível e com uma “curva de aprendizado” longa, pois o “baixo” de baixo nível não tem significado pejorativo e sim de acesso to- tal ao hardware do PC. Portanto com a linguagem Assembly podemos fazer programas com plenos pode- res sobre o hardware do PC. Para facilitar o aprendizado e aumentar a produtivida- de, foram desenvolvidas as linguagens de “alto nível” (Fortran, Cobol, C, Pascal, etc.), onde o “alto” significa que o programador está mais distante do hardware do PC e não precisa se preocupar com pequenos detalhes e sim com a lógica de programação. Mas não esqueça que não existe mágica. No final, o nosso programa de alto nível vai ser compilado e vai se transformar em uma seqüência de números binários! Analise o box ao lado e veja as diferenças de um pro- grama em alto nível e baixo nível. PROGRAMA EM BAIXO NÍVEL ESCRITO EM LINGUAGEM ASSEMBLY NAME teste1 _TEXT SEGMENT WORD PUBLIC ‘CODE’ _TEXT ENDS _DATA SEGMENT WORD PUBLIC ‘DATA’ _DATA ENDS CONST SEGMENT WORD PUBLIC ‘CONST’ CONST ENDS _BSS SEGMENT WORD PUBLIC ‘BSS’ _BSS ENDS DGROUP GROUP CONST, _BSS, DATA ASSUME CS:_TEXT, DS:DGROUP, SS: DGROUP EXTERN __acrtused:ABS EXTERN __chktsk:NEAR _BSS SEGMENT COMM NEAR _j: BYTE: 2 _BSS ENDS _TEXT SEGMENT ASSUME CS: _TEXTE PUBLIC main _main PROC NEAR push bp mov bp,sp mov ax,2 call __chkstk push si register si = i sub si,si jmp SHORT $F104 $FC105: inc si $F104: cmp si,100 jl $FC105 mov WORD PTR_j,0 jmp SHORT $F107 $FC108: inc WORD PRT_j $F107: cmp WORD PTR_j,100 jl $FC108 pop si mov sp,bp pop pb ret _main ENDP _TEXT ENDS END PROGRAMA EM ALTO NÍVEL ESCRITO EM LINGUAGEM LOGO aprenda teste1 atribua “i 0 atribua “j 0 atéque [:i>99] [atribua “i :i+1 escreva :i atéque [:j>99] [atribua “j :j+1 escreva :j ]] fim 27MECATRÔNICA FÁCIL Nº 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001 PROGRAMAÇÃO APRENDA QUADRADO REPITA 4 [PF 100 PD 90] FIM 3. fechar o Editor e salvar. 4. Execute o comando QUADRADO e o nosso qua- drado irá aparecer novamente. 5. Para salvar o programa em Logo para ser utiliza- do em outras oportunidades, basta ir em “Arquivo” no menu principal e escolher “Salvar Como”, então esco- lha um nome com extensão LGO. 6. Para restaurar quando abrir o Logo novamente vá em “Arquivo” no menu principal e escolha a opção “Abrir”, então escolha o nome do programa. Assim, aprendemos a fazer o nosso primeiro pro- cedimento. Vamos incrementar um pouco e fazer uma aplicação com recursos gráficos de janela e botões conforme mostra a figura 8: O programa em Logo: Figura 7 - Utilizando o editor de procedimentos. Figura 8 - Uma aplicação com recursos gráficos de janelas e botões. Figura 9 - Menu de ajuda. Não é interessante? Com poucos comandos con- seguimos fazer um programa com recursos podero- sos! Para saber como funcionam os comandos “criejanela” e “criebotão” vá em “AJUDA” na barra de menu principal clique em “Index”, então procure o co- mando desejado (ex. figura 9). PROPOSTA DE EXERCÍCIOS 1 - Elabore novos procedimentos para desenhar fi- guras (ex. triângulo); 2 - Modifique o programa SABER para que ele tenha mais botões que acionem os novos procedi- mentos; 3 - Estude os arquivos de auxílio (AJUDA na Barra de Menu Principal). PRÓXIMOS PASSOS Estamos chegando ao final dessa primeira parte de uma série de artigos, onde foram expostos vários conceitos de uma maneira simples, que serão impor- tantes durante o processo de aprendizagem. Como já dissemos anteriormente, seremos os grandes incentivadores. Nas próximas edições começaremos a integrar o PC com dispositivos externos. Vá se pre- parando! Vai ser muito interessante e divertido. aprenda SABER criejanela “main “d1 [Saber Eletronica] 10 10 150 50 criebotão “d1 “b1 “Quadrado 10 10 40 20 [quadrado] criebotão “d1 “b3 “LIMPA 60 10 40 20[tat] fim SOFTWARE 28 MECATRÔNICA FÁCIL Nº1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001MECATRÔNICA ATUAL Nº / INTRODUÇÃO Com o avanço no uso de compu- tadores, fazer desenhos técnicos e ilustrativos se tornou uma tarefa bem mais fácil e de melhor qualidade com os programas de CAD. Por meio de- les podemos construir, corrigir e agilizar nossos desenhos com bas- tante facilidade. Além disto é possí- vel importar o que chamamos de bi- bliotecas de desenhos, poupando bastante tempo. Um exemplo na Mecatrônica é fazer o projeto de uma planta hidráulica ou pneumática. A partir de componentes como vál- vulas, motores e bombas já pron- tos, basta fazer a conexão en- AutoCAD para que este possa ser animado em outro programa, como o 3D Studio. Há vários programas do tipo CAD, dentre eles o CATIA, Microstation, Pro-Engineering e outros. Estamos iniciando o curso sobre um progra- ma de desenho bastante conhecido na Engenharia, chamado de AutoCAD, feito pela empresa Autodesk. Muitos, quando pensam em CAD, o primeiro programa que lembram é o AutoCAD. Ele é popular por vários motivos, um deles é sua praticidade. Por exemplo, muitas pes- soas que usam computador estão acostumadas a acionar comandos por menus e botões utilizando o mouse, outras pessoas se adap- tam melhor acionando estes por meio do teclado. O AutoCAD per- mite este acesso de ambas as formas. Além disso ele é usa- do para os vários ramos da Engenharia, com vastas bibliotecas de dese- nhos e programas associados. O pro- grama é dividido basicamente em AutoCAD 2D (bi- dimensional) para desenhos de plan- tas, desenhos de montagem e fabri- cação e o Auto- CAD 3D para dese- nhos tridimen- sionais. Inicialmen- te será ensinado o Auto- AUTOCAD APLICADO À MECATRÔNICA 1ª parte Sérgio Eduardo Macêdo Rezende Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas Mecânicos Escola Politécnica da USP tre estes. O mesmo pode ser dito para um projeto mecânico envolven- do rolamentos, retentores e eixos. Outro motivo para o uso de pro- gramas CAD é fazer ilustrações, prin- cipalmente em três dimensões. Isto certamente facilita a compreensão de uma peça ou da montagem de um sistema. Por exemplo, um braço de robô pode ser, inicialmente, desenha- do em duas dimensões para se colo- car as cotas ou a identificação de componentes. Posteriormente pode- se fazer um modelo tridimensional no SOFTWARE 29MECATRÔNICA FÁCIL Nº1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001 CAD 2D pois nesta parte é que serão abordados os co- mandos básicos que também serão utilizados para 3D. Com esta série de artigos você será capaz de aprender passo-a-passo os comandos mais importantes, para fa- zer qualquer tipo de desenho. Esta é baseada no AutoCAD 2000 (última versão) que apresenta algumas inovações como a possibilidade de abrir vários desenhos simultâneamente e fácil alteração da espessura das li- nhas. No entanto, como serão vistos os comandos mais importantes, esta série pode ser perfeitamente aplicada para versões anteriores (R12, R13 e R14). VISÃO GERAL DO AUTOCAD Inicialmente é preciso se familiarizar com a tela do AutoCAD. Assim que o programa é inicializado, podemos observar, na tela, diversos detalhes importantes. O pri- meiro deles é o menu superior onde encontramos opções importantes como o File, Edit, View, Draw e outros. Abai- xo destas opções encontramos uma toolbar (caixa de fer- ramentas) que, quando arrastada, pode ser deslocada para qualquer posição da tela. Ela permite acessar os co- Figura 1 – Projeto mecânico. Figura 2 – Tela do AutoCAD 2000. Figura 3– Draw – Toolbar. Figura 5 – Visualização da Toolbar Figura 6 – Modificação da abertura do cursor.