Modelagem De Sistemas Mecatrônicos

CAPÍTULO III – MODELAGEM DE SISTEMAS MECATRÔNICOS

Na implementação de projetos que envolvem a automação de sistemas mecânicos, acionados e controlados por meio de circuitos eletrônicos, acionados e controlados por meio de circuitos eletrônicos, tais como manipuladores robóticos, veículos auto-controlados, dispositivos mecatrônicos etc., são necessários um projeto e a utilização de redutores, a partir do uso de componentes mecânicos básicos (motores, engrenagens, polias etc.), o que possibilita a construção de sistemas de redução, movimentação de alavancas, manipuladores e servomecanismos.

3.1. Descrição de Atuadores Utilizados em Sistemas Mecatrônicos

Do ponto de vista tecnológico, os dispositivos mecânicos que aplicam ou fazem atuar energia mecânica sobre uma máquina, para realizar determinado trabalho, são chamados de atuadores – transdutores de saída que alteram a grandeza controlada, ou transdutores eletrônicos que convertem energia elétrica em quantidade física.

Os atuadores adquirem diferentes significados conforme a área tecnológica em que são utilizados. Na aeronáutica, por exemplo, são definidos como elementos de potência na saída de qualquer sistema automático de controle de vôo. Na robótica, são os dispositivos de transmissão de potência mecânica que fornecem o “músculo” para mover o braço do robô. Ainda nessa área, o atuador é definido como efetuador ou elemento terminal, todo um sistema montado na extremidade transferência de um lugar para outro.

3.2. Utilização de Atuadores (Motor)

Os atuadores podem ser válvulas, eletroímãs, motores, etc. Este trabalho focar-se-á somente nos motores.

Rosário exemplifica8:

“Nos sistemas de controle de posição e velocidade, nos robôs e máquinas industriais, impressoras, plotters, CD players, unidades de disco de computadores, todos utilizam-se de atuadores como motores elétricos, associados a transmissões por engrenagens ou correias.”

Na figura abaixo, a Elgin 840 já com seu sistema de automatização – neste caso motor elétrico.

3.3. Sistema de Transmissão Mecânica

Para a especificação e a modelagem completas do sistema de acionamento de um dispositivo mecatrônico, devem ser levados em

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8 – cit. Rosário, João Rosário, pág. 97 – 2012.

consideração todos os elementos a ele associados, principalmente o bloco de transmissão mecânica, que permite a estabilização da quantidade de movimento do dispositivo por meio da variação de torque e velocidade. A figura abaixo esquematiza um sistema de transmissão genérico.

A fonte de potência está associada ao tipo de acionamento utilizado (combustão interna, elétrico, pneumático, etc.) e á carga, ou seja, à inércia a ser vencida. As transmissões mecânicas podem ser dos mais variados tipos e modelos e se diferenciam segundo o princípio de funcionamento, isto é, a forma de acoplamento de suas entradas e saídas, que podem ser rodas de fricção, polias conectadas a correias ou correntes, engrenagens ou rodas dentadas.

As transmissões por engrenagens normalmente possuem relações fixas de transmissão que variam de acordo com a aplicação. Por outro lado, as transmissões por fricção ou polias podem possuir um número fixo ou infinito de relações de transmissão dentro de determinada faixa de operação, chamadas de CVT (continuously variable transmission – transmissão continuamente variável).

Um sistema mecatrônico de redução é normalmente composto de um motor de corrente contínua que aciona um conjunto de engrenagens. Com isto se obtém uma redução da velocidade numa proporção que pode ser considerada ideal para aplicação na área de mecatrônica.

A velocidade de rotação de um motor de corrente contínua depende intrinsecamente da carga aplicada no seu eixo de rotação; por esse motivo, não é possível definir exatamente a taxa de redução, compreendida em determinada faixa de operação, dependendo de quanta força se deseja que ela aplique num mecanismo. Para um motor pequeno, a taxa de redução permite uma multiplicação considerável da força, obtendo-se no eixo de redução um torque considerável.

A vantagem principal desse sistema está na facilidade de acoplar o eixo a qualquer dispositivo que se deseje movimentar e na possibilidade de controlar o motor com tensões e correntes relativamente baixas. Também é possível inverter o sentido da rotação do sistema, bastando para isso inverter a corrente no motor.

3.4. Sistema de Controle em Malha Aberta

Quando falamos em controle, queremos dizer que estamos controlando alguma variável (por exemplo, posição, velocidade, aceleração, temperatura, vazão, profundidade, largura, etc.). O objetivo de um sistema de controle é fazer com que a variável controlada atinja o valor ou o estado determinado pelo usuário por intermédio de uma referência. Para tanto, é necessário que o sistema de controle atue nessa variável.

Os instrumentos que atuam na variável controlada são chamados de atuadores. A fim de que o controlador tenha conhecimento do valor ou do estado dessa variável, são utilizados sensores, dispositivos de entrada que convertem um sinal de qualquer espécie em outro sinal que possa ser interpretado pelo controlador, que é o equipamento que executa a ação de controle.

Nos sistemas de controle em malha aberta o controle é exercido sem que haja uma amostragem do resultado ao longo do processo, ou seja, eles não possuem uma realimentação. Tais sistemas não possuem sensores externos e, em conseqüência, a ação de controle é independente da saída.

O controle de um motor de corrente contínua que aciona uma carga fixa é um caso típico de sistema em que a realimentação não é necessária, pois o próprio