PCS2038 – Conceitos Gerais de Automação 1º Quadrimestre de 2010 1

Bruno Nigro - NºUSP: 5690222

Bruno Domingues - NºUSP: 5639381

PCS 2038 – Conceitos Gerais de AutomaçãoAtuadores – Aplicação a Processos

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Objetivo

Esta apresentação tem como objetivo o estudo dos atuadores. Para isso, serão discutidos o conceito de atuador (sentido geral e para a Engenharia Elétrica), seus diversos tipos e como eles são utilizados em sistemas de automação, mostrando algumas das aplicações práticas desses elementos.

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Definição de Atuador

O atuador é definido como o elemento capaz de atuar sobre (modificar) grandezas físicas do sistema no qual está inserido, em reposta a um comando manual ou automático. Esse processo envolve a conversão entre diferentes tipos de energia.

Exemplos de atuadores:

Músculos Motores Lâmpadas Aquecedores

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Atuador – Engenharia Elétrica

• Transdutor: elemento que converte uma forma de energia em outra.

• Sensor: elemento que converte uma grandeza física qualquer em sinal elétrico.

• Atuador: elemento que converte um sinal elétrico em uma grandeza física qualquer.

Transdutor

Sensor Atuador

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Automação e Controle

Processo

Sensores

Controle Atuadores

Set Point (Referência)

Variável manipuladaErro

Variável controlada (Saída)

+-

Perturbação

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Classificação dos atuadores

Existem diversas classificações para os atuadores, dependendo do critério adotado.

Possíveis classificações:

• Energia de saída: mecânica, térmica, óptica, etc.

• Princípio de funcionamento: mecânico, pneumático, hidráulico, eletromagnético, piezoelétrico, etc.

• Se for um atuador que gera movimento, pelo tipo de movimento: linear ou rotativo.

Durante a apresentação, será usada uma classificação que combina os dois últimos critérios de classificação citados acima.

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Energia Mecânica

Esses atuadores são aqueles cuja energia de saída é a mecânica, ou seja, produzem movimento.

Para analisá-los, serão divididos em 2 grupos:

• Lineares: o movimento produzido é de translação

• Rotativos: o movimento produzido é de rotação

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Atuadores Lineares

Mecânico: geralmente convertem o movimento de rotação de um braço de controle em movimento linear através das engrenagens e parafusos

Aplicações:

Macaco usado para erguer veículos

Atuador com escala e leitura digital usados para posicionar componentes óticos com alta precisão

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Atuadores Lineares

Fluidos sob pressão (cilindros): utilizam fluidos sob pressão para empurrar um pistão dentro de um cilindro e gerar seu movimento linear.

Podem ser de dois tipos:

• pneumáticos: utilizam gás comprimido

• hidráulicos: utilizam óleos sob pressão

Existem vários tipos de cilindros. Alguns exemplos são:

• Cilindro de ação simples:

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Atuadores Lineares

•Cilindro de dupla ação:

•Cilindro de dupla haste:

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Atuadores Lineares

Mesmo sendo componente que usam fluido, ainda dependem da energia elétrica para funcionar:

• Compressores (cilindros pneumáticos)

• Bombas (cilindros hidráulicos)

Exemplo:

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Atuadores Lineares

Para controlar a passagem do fluido para o atuador, são utilizadas válvulas:

• Manuais – exemplo: Controle do braço de um trator

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Atuadores Lineares

• Elétricas: um solenóide formado por um carretel (onde são enrolados os fios) e um núcleo que se movimenta devido a ação do campo eletromagnético

• Essas válvulas são muito utilizadas em sistemas de automação, pois permitem que o computador controle a válvula ( e, conseqüentemente, o atuador controlado pela válvula) através de sinais elétricos

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Atuadores Lineares

Cilindros hidráulicos usados em tratores

Aplicações:

Cilindro do motor de carro

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Atuadores Lineares

Braço movimentado por cilindros pneumáticos

Aplicações:

Prensa hidráulica

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Atuadores Lineares

Piezoelétricos: o efeito piezoelétrico é a capacidade que certos materias apresentam de se deformar quando uma tensão é aplicada sobre esses materiais

Exemplos de materiais piezoelétricos: tendões, ossos, cerâmicas (ex: BaTiO3, LiTaO3), cristais (ex: quartzo, topázio), polímeros (ex: PVDF)

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Atuadores Lineares

Cristais de quartzo (SiO2)

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Atuadores Lineares

Aplicações:

Alto-falantes, usados em sua maioria para aplicações de freqüência única (beeper) ou aplicações não críticas devido sua resposta em freqüência inferior às outras tecnologia. Porém, são resistentes a sobrecargas que destruiriam a maioria dos dispositivos de alta-freqüência

Motores piezoelétricos

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Atuadores Lineares

Vantagens do motor piezoelétrico:

• Passos muito precisos (na ordem de nanômetros de acordo com alguns fabricantes)

Por exempo: A cerâmica PZT5H apresenta constante de transmissão 593 x 10-12 m/V

• Passos feitos em alta freqüência (até 5 Mhz) devido a característica de resposta em alta freqüência dos materiais

•Pequenos

Aplicações: Microscópios, alinhamento de espelhos em telescópios, focalização automática e zoom de câmeras, dispositvos médicos implantáveis, etc

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Atuadores Lineares

Motor linear: um motor linear é um motor de corrente alternada que em vez de ter o estator em volta do rotor está em baixo, então não produz torque e sim uma força linear ao longo da construção do estator.

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Atuadores Rotativos

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Atuadores Rotativos

Angulares: quando giram apenas num ângulo limitado, que pode emalguns casos ser maior que 360°. Ex: braço mecânico.

Contínuos: quando têm possibilidade de realizar um númeroindeterminado de rotações. Ex: motores elétricos, pneumáticos ou hidráulicos.

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Atuadores Rotativos

Osciladores hidráulicos: Transformam a força hidráulica ou pneumática em força mecânica rotacional, em escala de giro contínuo tipo motor, bem como de giro em uma escala limitada de graus, como os osciladores ou em operações onde não é necessária rotação completa do componente em que a força esta sendo aplicada.

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Atuadores Rotativos

Osciladores de cremalheira e pinhão:1 - Carcaça2 - Cremalheira com 2 êmbolos3 - Engrenagem e eixo (pinhão)4 - Regulagem do curso (ângulo de giro)

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Atuadores Rotativos

Osciladores de palheta (simples ou dupla):

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Atuadores Rotativos

Motores hidráulicos: os motores hidráulicos transformam a energia de trabalho hidráulico em energia mecânica rotativa, que é aplicada ao objeto por meio de um eixo. Todos os motores consistem basicamente de uma carcaça com conexões de entrada e saída e de um conjunto rotativo ligado a um eixo. Existem 2 tipos principais: de palheta e de engrenagem.

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Atuadores Rotativos

De palheta:

De engrenagem:

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Atuadores Rotativos

Aplicações:

Perfuratriz Hidráulica Bristol HB

Esteira: há um motor hidráulico em uma ponta, uma roda dentada livre na outra, e finalmente um conjunto de cilindros para a esteira se mover

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Atuadores Rotativos

Motor elétrico: utiliza energia elétrica para transformar em energia mecânica.Falaremos de 2 tipos: os motores elétricos contínuos e os motores de passo.

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Atuadores Rotativos

Motor elétrico contínuo:O motor elétrico é composto de duas estruturas magnéticas:· Estator (enrolamento de campo ou ímã permanente);· Rotor (enrolamento de armadura).

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Atuadores Rotativos

Motor de passo: o motor de passo tem funcionamento parecido com os outros motores elétricos, a diferença é que a alimentação de entrada é feita por pulsos e não continuamente. Conforme os pulsos na entrada do circuito de alimentação, este oferece correntes aos enrolamentos certos para fornecer o deslocamento desejado.

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Atuadores Rotativos

Aplicação:Braço mecânico: muito utilizado em fábricas para transferir objetos de um lugar a outro. Em cada junta do braço existe um motor para fazer o movimento angular e sensores para checar se o movimento foi concluido. Ex: na fabricação de carros existem braços mecânicos para montar a carroceria do carro

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Atuadores Rotativos

Aplicações:Sonda enviada a marte

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Atuadores Rotativos

Aplicações:Fabricação de carros

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Tendências dos atuadores

Músculo artificial de nanotubos de carbono

• Permite os robôs andarem com maior naturalidade

• Resistentes a temperaturas extremas (desde a temperatura do nitrogênio líquido (-196° C) até acima do ponto de fusão do ferro (1538° C).

• Podem se movimentar 1000 vezes mais rápido que o músculo humano e com 30 vezes mais força

• Aplicações: robôs normais, robôs espaciais, exoesqueleto em soldados

• Consomem menos energia e são muito mais leves que os motores elétricos

• Feitos de nanotubo de carbono em folhas de aerogel.

• Quando uma tensão é aplicada ao músculo, os nanotubos se afastam e o músculo se distende. Quando a tensão é retirada, o músculo se contrai

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Tendências dos atuadores

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Bibliografia

Sites conferidos no dia 31/01/2010

1.http://www.ebah.com.br/ransdutores-sensores-e-atuadores-pdf-a5831.html# 2.http://pt.wikipedia.org/wiki/Engenharia_de_controle_e_automa%C3%A7%C3%A3o#Elementos_atuadores 3.http://colunas.epocanegocios.globo.com/tecneira/2008/03/25/americanos-criam-musculo-artificial-que-recarrega-e-regenera-sozinho/ 4.http://en.wikipedia.org/wiki/Actuator 5.http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/motor-explosao/motor-explosao.php 6.http://static.howstuffworks.com/gif/backhoe-loader-sideview.jpg 7.http://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricity 8.http://www.solenoid-valve-info.com/solenoid-valve-basics.html 9.http://electronicdesign.com/content.aspx?topic=piezoelectric-motor-delivers-precise-positioning-i&catpath=components 10.http://www2.eletronica.org/artigos/outros/estudo-do-motor-de-passo-e-seu-controle-digital11.http://www.telecom.uff.br/pet/petws/downloads/tutoriais/stepmotor/stepmotor2k81119.pdf12.http://www.iem.unifei.edu.br/gorgulho/eme26/Aula_04_Hidraulica_04.pdf13.http://www.engprod.ufjf.br/epd_automacao/EPD030_Atuadores.pdf14.http://ciencia.hsw.uol.com.br/motor-eletrico1.htm15.http://en.wikipedia.org/wiki/Linear_motor16.http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=musculo-artificial-aerogel-nanotubos-superforte-super-rapido&id=010180090401http://nanopatentsandinnovations.blogspot.com/2009/11/carbon-nanotube-artificial-muscles-for.html17.Centro Federal de Ensino tecnológico – CEFET-MT - Apostila da disciplina Sensores e Atuadores - Curso: Automação Industrial - Profº Edílson Alfredo da Silva18.PDF Introdução à Automação Industrial - Branqs Automação, 2007 - Elaboração: Kauê Leonardo Gomes Ventura Lopes19.Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - LICENCIATURA EM ENGENHARIA ELECTROTÉCNICA E DE COMPUTADORES - Ramo de Automação, Produção e Electrónica Industrial – 3º ano