Braço mecânico para manipulação de PCI voltado à aplicações de baixo custo

Bernardo Farias Asmus Graduando em Mecatrônica Industrial

Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial – Instituto Federal de Santa Catarina ber_asmus@hotmail.com

Gregory Chagas da Costa Gomes

Graduando em Mecatrônica Industrial Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial – Instituto Federal de Santa Catarina

gregory.ifsc@gmail.com

Marcelo Grigollo Bagnatti Graduando em Mecatrônica Industrial

Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial – Instituto Federal de Santa Catarina marcel0_@hotmail.com

Milena Won Dias Victorette

Graduando em Mecatrônica Industrial Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial – Instituto Federal de Santa Catarina

milenawdv@gmail.com

Vítor Farias de Borba

Graduando em Mecatrônica Industrial Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial – Instituto Federal de Santa Catarina

vitorfariasdeborba@hotmail.com

Resumo: Visando a agilidade e segurança do processo de manipulação de placas de circuito impresso, viu-se a possibilidade de utilização de um braço mecânico de baixo custo para atender a esta demanda. Peso, área de trabalho e facilidade de operação foram prioridades no desenvolvimento deste projeto. Utilizando materiais e ferramentas de software já disponíveis em ampla escala no mercado, foi fabricado um protótipo com cinco graus de liberdade na configuração TRR:RT seguindo a metodologia proposta por bibliografia especializada. Embora não tenha sido concluído o protótipo, cálculos e simulações comprovam a viabilidade do projeto.

Palavras-chave: braço mecânico, PCI, robótica

Abstract: Aiming the security and agility of the printed circuit board manipulation process, saw the possibility of using a low cost mechanical arm to attend this demand. Weight, work area and easy operation were priorities in the project’s development. Using materials and software already available in large scale in the labor market, was manufactured a prototype with five liberty degrees in the TRR:RT configuration following the proposed methodology by specialized bibliography. Although the prototype wasn’t finished, the project’s feasibility was proven by calculus and simulations. Key-words: mechanical arm, printed circuit board, robotics

Introdução

Com o constante crescimento populacional e redução da vida útil dos materiais,

hoje em dia faz-se necessário uma produção de bens de consumo extremamente ágil

e independente de adversidades temporais.

Para garantir que os produtos cheguem ao maior número possível de clientes

nos mais diversos locais, a produção elevada junto a um sistema ágil, eficiente e

confiável é indispensável. Para garantir que estas metas sejam atendidas, a utilização

de braços robóticos e demais produtos mecatrônicos é necessária. Atribuindo custo e

não valor ao produto, o braço robótico vem para suprir estas necessidades podendo

ser construído para tarefas específicas, ele traz todas as especificações que a

produção em massa exige, trazendo assim um lucro significativo a médio e longo

prazo.

Atualmente, a maior parte dos robôs, desenvolve atividades de soldagem,

manipulação de peças e pintura. Eles realizam tarefas perigosas, repetitivas, que

requerem muita atenção e precisão ou que são entediantes para os seres humanos.

Na linha de montagem, os robôs são mais precisos e podem executar tarefas de

maneira muito mais eficaz que o homem. [4]

A Figura 1 apresenta um gráfico das atividades realizadas por robôs no mundo:

Figura 1 – Principais atividades da robótica

Tendo como base pesquisas de mercado, tanto no sentido de produtos já

existentes quanto na abrangência da área de atuação dos braços robóticos, pesquisas

envolvendo a teoria da robótica e conversas com professores ligados ao assunto,

elaboraram-se os seguintes objetivos para dar rumo a este projeto:

11%

7%

21%

30%

27%

4%

Pintura

Montagem

Solda arco

Solda ponto

Manipulação

Outros

1.1 Objetivo geral

Desenvolver o protótipo de um braço mecânico com a capacidade de

desenvolver com precisão, agilidade e segurança a tarefa de manipular placas de

circuito impresso.

1.2 Objetivos específicos

a) Desenvolver pesquisas sobre braços robóticos;

b) Adquirir conhecimentos na área de Sistemas Digitais;

c) Adquirir conhecimentos na área de Sistemas Mecânicos;

d) Adquirir conhecimentos na área de CAD;

e) Utilizar as ferramentas de Metodologia de Projeto para a realização deste;

f) Efetuar simulações mecânicas e digitais para um braço robótico;

g) Construção do protótipo;

h) Análise dos resultados obtidos.

2. Metodologia

Para o melhor desenvolvimento do projeto deste protótipo no sentido da

qualidade, agilidade e confiabilidade, foi utilizada como base a metodologia de projetos

exibida e detalhada no livro Projeto Integrado de Produtos [2], seguindo-se as etapas

de Projeto Informacional, Projeto Conceitual, Projeto Preliminar e Projeto Detalhado.

As duas principais concepções para o protótipo do braço que foram

desenvolvidas nas etapas de projeto Conceitual e Preliminar estão ilustradas abaixo

nas figuras 2(a) e 2(b).

Figura 2(a) – Concepção 1 Figura 2(b) – Concepção 2

3. O protótipo

A solução que melhor atende aos requisitos de cliente é a elaboração de um

robô articulado ou revoluto com 4 elos, 3 juntas rotativas, e 2 juntas torcionais sendo

de punho com dupla articulação (rolamento e arfagem), sendo assim a configuração

final do robô é TRR:RT, configuração que confere a ele 5 graus de liberdade.

Possui acionamento indireto e transmissão por polias e correias dentadas, exceto

nas juntas torcionais onde será utilizado acionamento direto [5], o controle será de

malha aberta utilizando passos controlados por um micro controlador de arquitetura

8051 e sensores fim de curso para determinação do arco de trabalho de cada elo.

3.1 Projeto mecânico

3.1.1 Dimensionamento dos motores

Para a movimentação do braço são utilizados motores de passo NEMA 23 e

NEMA 34 com flange, exceto para os movimentos da garra onde são utilizados

motores de passo de pequeno porte. Abaixo segue o esquema de torque que gerara

embasamento para definição dos motores:

Onde,

E1(distância eixo 1) = 0mm

m1 (peso motor 1) = 29,4N

B1 (distância da barra 1) = 200mm

E2 (distância eixo 2) = 400mm

m2 (peso motor 2) = 19,6N

B2 (distância barra 2) = 550mm

E3 (distância eixo 3) = 700mm

G (torque na garra) = 1176Nm

3.1.2 Dimensionamento dos eixos

Para o cálculo do diâmetro do primeiro eixo foi utilizado o método de sobreposição

de forças, além de um estudo de dinâmica aplicada sobre o mesmo nos momentos de

aceleração positiva e negativa do braço.

y

x

Figura 3 – Eixo2

3.1.3 Sistema de Transmissão por polias e correias

Para dimensionar as polias e correias utilizou-se um software disponível no site

www.brecoflex.com, onde com as informações obtidas sobre torque em cada motor e

distância entre elos pode-se calcular, via este software, a largura necessária para as

correias e também ver os comprimentos catalogados de cada modelo de correia.

No projeto, serão usadas correias sincronizadoras modelo HTD5MM, que

possuem comprimentos maiores e são próprias para equipamentos com médio porte

onde o torque é considerado alto. Os diâmetros e larguras das correias vão depender

da transmissão em que serão submetidas, mas todas terão passo de 5mm. Na Figura

4, a seguir, podemos ver o software.

Figura 4 – BrecoFLEX software

3.1.4 Acoplamentos

Para a ligação do redutor do NEMA-34 localizado na base do robô com a placa

giratória, foi necessária a usinagem de um acoplamento para este caso. Feito de ferro

fundido, o acoplamento é ligado ao redutor por uma chaveta e ligado à placa giratória

por 4 parafusos M5 de classe mínima 5.8.

3.1.5 Chavetas

Os elementos utilizados para transmitir potência entre eixo e cubo foram as

chavetas, pois além de serem de fácil usinabilidade, também são pensadas para

funcionar como “fusíveis”, ou seja, foram projetadas para que caso haja uma

interferência no sistema, ela rompa e previna os elementos mais precisos.

Foram escolhidas chavetas de área quadrada e do mesmo material dos eixos

(Aço ABNT 1020).

3.1.6 Flanges

A necessidade de um cubo de ligação entre eixo e perfil de alumínio era clara e

conhecida. Um elemento simples e que garantisse este acoplamento com a precisão

necessária, o flange, foi usado em todos os eixos para garantir a fixação entre eixo e

perfil de alumínio.

O material mais acessível e disponível para a equipe usinar este componente foi o

alumínio. Para os cálculos de dimensionamento deste acoplamento usou-se como

material aquele que estava disponível.

Para transmissão da potência do eixo para o flange, pensou-se no uso combinado

de chaveta e um parafuso de aperto de chaveta, para dar mais força no contato entre

chaveta, cubo e eixo.

Para o dimensionamento, como dados de entrada se tem a área de contato da

chaveta com o cubo e a força máxima que gera momento na chaveta e como saída, a

tensão de escoamento mínima necessária.

Após a verificação dos cálculos, identificou-se que o primeiro flange não

suportaria tal pressão e muito provavelmente faria com que o material escoasse,

gerando folga na transmissão. A tensão de escoamento do Aço 1020 é em torno de 16

vezes maior que a do alumínio, o que suportaria a força atuante, porém, como a falta

de material era notável e a informação de que nenhum elemento de transmissão de

movimento (polias e correias) chegaria, o alumínio foi utilizado como material.

Figura 5 – Flange do Eixo1

3.1.7 Mancais de rolamento

De acordo com diâmetro, com o tipo de carga (carga radial), e com o tempo de

vida, foi selecionado o mancal de rolamento, para o primeiro eixo de diâmetro 25mm,

de referência 6005, com 47mm de diâmetro externo e 25mm de diâmetro interno.

Para o segundo eixo de diâmetro 20 mm, foi selecionado o mancal de rolamento

de referência 6004, com 42mm de diâmetro externo e 20mm de diâmetro interno.

Para o terceiro eixo de diâmetro 15 mm, foi selecionado o mancal de rolamento de

referência 6002, com 32 mm de diâmetro externo e 15 mm de diâmetro interno.

Figura 6 – Suporte para mancal de rolamento montado com o mancal e eixo

3.1.8 Leiaute final

Com o projeto mecânico detalhado foi possível dimensionar o leiaute concebido

pelo Projeto Preliminar. Abaixo se tem a Figura 7 que ilustra a projeção em CAD da

solução em posição de descanso.

Figura 7 – Vista explodida do protótipo

3.1.9 Base estrutural Para a sustentação do braço, foi pensado uma base onde ficariam alojadas as

placas eletrônicas, transformadores elétricos e um motor NEMA-34 com o redutor

planetário 10:1 (motor responsável pelo rotação do braço). A forma hexagonal foi

escolhida para melhorar o fluxo de ar dentro da base, onde um coller é responsável

por impulsionar o ar para dentro da estrutura e o outro para retirada do ar.

Os drives de potência foram acoplados na viga central da base, onde dentro

dela alojam-se o motor e o redutor, junto com a fonte responsável pela tensão nos

collers. Na parte inferior da base, ficaram os transformadores responsáveis pela

tensão na fonte e tensão dos drives de potência.

Com o intuito de proteger as placas eletrônicas e de tornar o projeto bem visual, a

base é isolada do meio externo por placas de policarbonato, onde em uma delas ficou

anexado a placa mãe (responsável pela comunicação entre drives, HMI e 8051), kit

8051 e entrada para cabos de força e bobinas dos motores de passo

A intenção de alocar estes elementos na base foi livrar o peso na ponta do braço,

pois causaria um aumento considerável no momento fletor nos perfis.

3.2 Projeto eletrônico-digital

3.2.1 Microcontrolador O microcontrolador empregado possui arquitetura da família 8051, seu modelo

específico é o Atmel AT89S8253 que como principais características apresenta:

12Kbytes de memória de programa;

2Kbytes de EEPROM;

Operação entre 2,7V e 5,5V;

256Bytes de RAM interna.

Figura 8 - Microcontrolador Atmel AT89S8253.

P0:

P0.0 => livre

P0.1 => LCD

P0.2 => LCD

P0.3 => livre

P0.4 => LCD

P0.5 => LCD

P0.6 => LCD

P0.7 => LCD

P1:

P1.0 => seta para cima

P1.1 => seta para esquerda

P1.2 => seta para direita

p1.3 => seta para baixo

P1.4 => botão de OK

P1.5 => seleciona modo (M/A)

P1.6 => livre

P1.7 => livre

Figura 9 – Esquema elétrico do

controle dos atuadores.

P2:

P2.0 => direção

P2.1 => motor1 step

P2.2 => motor2 step

P2.3 => motor3 step

P2.4 => motor4 step

P2.5 => motor5 step

P2.6 => motor6 step

P2.7 => livre

P3:

P3.0 => RXD

P3.1 => TXD

P3.2 => INT 0

P3.3 => sensor 1

P3.4 => sensor 2

P3.5 => sensor 3

P3.6 => sensor 4

P3.7 => sensor 5

Para facilitar a utilização foi empregado o uso do KIT de desenvolvimento para

microcontroladores da família 8051, projetado e produzido pelo Professor Édson Melo.

A Figura 9 apresenta o diagrama esquemático feito no software Proteus do sistema de

controle do microcontrolador.

3.2.2 Firmware

O firmware desenvolvido para o controle do braço tem como característica a

simplicidade. Ele é composto por dois modos de execução: manual e programa. No modo

manual o usuário terá a liberdade de movimentar o braço em todos ou seus graus e em

tempo real. No modo de programa o usuário escolherá um dos programas gravados no

firmware e mandará executá-lo.

A programação do sistema segue o fluxograma apresentado abaixo pela Figura 10:

Figura 10 – Fluxograma do firmware

3.2.3 Drive de potência Os drives de motor de passo empregados na solução foram projetados e desenvolvidos

pelo Professor Nelso Gauze Bonacorso, e possuem características marcantes que o

tornaram a decisão mais aceitável em termos de acionamento dos motores de passo deste

projeto, são estas características:

Segurança (possui diversos sistemas de proteção elétrica):

Versatilidade (possui os modos de operação Half Step, Full Step e Micro Passo,

além de ser bidirecional):

Potência x Custo (possui uma potência grande para seu custo de produção):

Consagração (é um elemento consagrado na utilização em Projetos Integradores da

Instituição).

Na Figura 11, temos o Driver desenvolvido pelo Professor Bonacorso.

Figura 11 - Drive desenvolvido.

3.2.4 Alimentação

A alimentação do projeto é feita através de um transformador simétrico de 220V para -

18 +18 que é responsável pela alimentação dos drives de potência desenvolvidos pelo

professor Nelso, uma fonte comercial que é responsável pela alimentação do KIT 8051, uma

fonte para alimentação do display e sensores e uma outra fonte para alimentação dos drives

de potência. A Figura 12 abaixo representa o esquema elétrico gerados pelo programa

Proteus da fonte responsável pela alimentação dos drives e dos fan’s. A fonte de

alimentação do display é constituída por um esquema idêntico a parte correspondente a 5V.

Figura 12 – Esquema elétrico da fonte.

3.2.5 IHM

A IHM a ser utilizada possui um display de LCD (16x2) para exibição das informações

de motores e programas, 4 setas direcionais, um botão de executar, um botão de duas

posições para seleção entre modo automático e modo manual e um botão de emergência,

como representado na Figura 13 a seguir:

Figura 13 - IHM

4. Resultados obtidos

Os resultados obtidos com relação ao projeto foram satisfatórios, atendem aos

requisitos de cliente e aos requisitos de projeto. Os conhecimentos para calcular e

dimensionar as peças mecânicas foram adquiridos, portanto as peças foram dimensionadas

atendendo as necessidades de projeto.

Os projetos eletrônico e digital foram atendidos, pois os testes em bancadas

demonstraram a capacidade e a clareza de controle do processo, já que a única coisa que

difere estes testes da realidade é a dimensão do motor.

5. Trabalhos futuros

Futuramente, adquirindo-se conhecimentos em robótica e controle, o braço poderá

ser aperfeiçoado para um funcionamento CNC, podendo assim desenvolver tarefas de alto

grau de precisão, tanto para funções de manipulação quanto de solda ou injeção de fluidos,

por exemplo.

6. Conclusão

Apesar dos problemas e dificuldades encontradas durante a realização do projeto e a

impossibilidade de validação do projeto, foram adquiridos conhecimentos em elementos

mecânicos, sistemas embarcados e em CAD utilizando o Solidworks.

O protótipo foi idealizado e montado até onde foi possível, com os materiais que se

tinham. Habilidade em encontrar soluções diferentes durante o processo de fabricação para

solucionar problemas de falta de material ou defeitos de projeto também foi aperfeiçoada.

Por tratar-se do primeiro projeto envolvendo mecânica em sua essência, e embora

não tenha sido concluído de acordo com suas metas e especificações, a barreira do novo foi

quebrada e esperamos que nos próximos projetos, aonde estaremos munidos dessa

experiência obtida no decorrer do projeto, possamos tomar decisões com maior rapidez e

encontrar soluções cada vez mais simples e aperfeiçoadas para os problemas que, sem

dúvida, surgirão.

Referências [1] SIMÕES, A. S.; RICCHETTI, P. F.; Projeto e implementação de um braço robótico de baixo custo: uma plataforma multidisciplinar para motivação do trabalho em grupo. In: Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia, 31. 2003. Rio de Janeiro. [2] BACK, N.; OGLIARI, A.; DIAS, A.; SILVA, J. C. Projeto Integrado de Produtos. Barueri, SP, Editora Manole Ltda, 2008. [3] Elementos de Projeto. Disponível em: http://www.dee.feb.unesp.br/~marcelo/robotica/conteudo.html#P1. Acesso em: 08/03/2010 [4] BONACORSO, N. G.; NOLL V.; GEVAERD B. M. Desenvolvimento de um driver de corrente didático para acionamento de motores de passo aplicados ao ensino de eletrônica de potência e mecatrônica. Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina - CEFET/SC. Santa Catarina. [5] CARRARA, V. Apostila de Robótica. Universidade Braz Cubas. São Paulo. [6] PATSKO, L. F. Tutorial controle de motor de passo. Maxwell Bohr – Instrumentação Eletrônica. 2006. [7] DINA. Disponível em: http://www.dina.com.br. Acesso em: 15/04/2010.

[8] 3D ContentCentral. Disponível em: http://www.3dcontentcentral.com. Acesso em: 18/04/2010.

[9] SKF. Disponível em: http://www.skf.com/portal/skf/home. Acesso em: 21/04/2010.

[10] ALCOA. Disponível em: http://www.alcoa.com/brazil/pt/custom_page/mercados.asp. Acesso em: 06/04/2010.