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Campus Marques
APS 1 – Relatório Guerra de Robôs
Grupo Mecatron ( Turma ano 6 º e 7º - Engenharia ) Integrantes RA Nome Capitão A65170-5 LEANDRO SILVA 1 B001AH-3 ALINE GARCIA GUIMARAES 2 B086JE-8 ANDERSON DOS SANTOS 3 B42EFA-6 ANDRE RAMOS DOS SANTOS 4 772606-6 DANNY MEDRADO LIMA 5 T483CJ-5 FLAVIO HENRIQUE DE S. FERREIRA 6 A77HCB-9 FRANKLIN PAIVA DE ANDRADE 7 A32ACH-8 GLEISON CEZARETTO 8 T111DA-4 HELIO AUGUSTO FICZ 9 A98106-0 JEFERSON SANTANA REINALDO 10 A9378E-3 MARCELO SIQUEIRA 11 B072FJ-9 MARCELO EDUARDO BARCELLOS 12 933183-2 MARCIO ROGERIO DA SILVA 13 A48JGI-0 MARCOS DA SILVA CORSI 14 T968GD-9 MARCOS TRISTAO DE OLIVEIRA 15 A7256G-8 PABLO SILVA DA CRUZ 16 B1829D-5 RAFAEL BRITO CAMPINA DA SILVA 17 B08845-1 RAFAEL REGIS DE OLIVEIRA 18 A99294-4 RODRIGO GASPAR DE LUCENA SILVA 19 60200-4 RODRIO TEODORO 20 A97788-0 ROGERIO ALBERTO DA SILVA 21 A70280-6 THIAGO SILVA DE RESENDE 22 B014BJ-0 WALYSON ALEX DOS SANTOS 23 B0369F-5 WELSON GILSON DIAS OLIVEIRA
ENGENHARIA MECRATRÔNICA
ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS
6º e 7º SEMESTRE
ROBÔ DE SUMÔ
SÃO PAULO
2014
ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS
ROBÔ DE SUMÔ
Trabalho de conclusão do sexto e sétimo semestre do curso de Engenharia Mecatrônica apresentado à Universidade Paulista UNIP.
Orientador: Prof. Rafael Bachega
SÃO PAULO
2014
ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS
ROBÔ DE SUMÔ
Trabalho de conclusão do sétimo semestre do curso de Engenharia Mecatrônica apresentado à Universidade Paulista UNIP.
Aprovado em:
BANCA EXAMINADORA
_______________________/__/___
Prof. __________________
Universidade Paulista UNIP
_______________________/__/___
Prof. __________________
Universidade Paulista UNIP
Sumário:
1. RESUMO DO PROJETO. ................................................................................... 7 1.1. INTRODUÇÃO. ................................................................................................... 7
2. OBJETIVO. ...................................................................................................................................................... 8
3. REGRAS. ......................................................................................................................................................... 8
3.1. BATERIAS .............................................................................................................. 8 3.2. PESAGEM ............................................................................................................... 8 3.3. DIMENSÕES MÁXIMAS .............................................................................................. 9 3.4. REGRAS DE COMBATE – FASE CLASSIFICATÓRIA ....................................................... 9 3.5. REGRAS DO COMBATE – FASE ELIMINATÓRIA .......................................................... 10 3.6. ARENA ................................................................................................................. 10
4. FORMAÇÃO DAS EQUIPES E PLANEJAMENTO. ............................................................................... 12
4.1. NOME DE EQUIPE. ............................................................................................... 12 4.2. LOGO ................................................................................................................. 12 4.3. DIVISÃO DA EQUIPE. ............................................................................................ 12
4.3.1. Equipe de Gerenciamento de Projetos. ...................................................... 12
4.3.2. Equipe de Projetos. .......................................................................................... 13
4.3.3. Equipe de Mecânica. ........................................................................................ 13
4.3.4. Equipe de Elétrica e Controles. ..................................................................... 13
4.4. ESTABELECENDO OS MEMBROS DAS EQUIPES ...................................................... 13 4.5. DESENVOLVIMENTO DO PLANEJAMENTO E CRONOGRAMA ...................................... 14
4.5.1. Cronograma do Projeto ...................................................................................... 14
4.5.2. Atividades Macro do Projeto .............................................................................. 14
5. EXECUÇÃO DO PROJETO. ...................................................................................................................... 15
5.1. PESQUISA E DESENVOLVIMENTO. ......................................................................... 15 5.2. DEFINIÇÃO DO DESIGNER E ESTRATÉGIA. ............................................................. 16 5.3. PROJETO DO ROBÔ. ............................................................................................ 18
5.3.1. Protótipo. ............................................................................................................. 18
5.3.2. Projeto em 3D do Robô .................................................................................... 19
5.4. DETALHAMENTO MECÂNICO. ................................................................................ 20
5.4.1. Dimensionamento dos Motores .................................................................... 20
6.5. DETALHAMENTO E MONTAGEM DO CARRINHO EM SOFTWARE 3D –
INVENTOR. ............................................................................................................... 31
6.5.2 Lista de Peças e Valores. ........................................................................................ 32
6.5.3 Peças Fabricadas ................................................................................................... 32
7. DETALHAMENTO ELÉTRICO. ................................................................................. 33
7.1 Controle Simples ..................................................................................................... 33
7.2. PLACA DE CIRCUITO E CONTROLE. ....................................................................... 40
7- CONCLUSÃO ................................................................................................................................................. 49
8- BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................................. 49
1. RESUMO DO PROJETO.
O objetivo do projeto está relacionado à construção de práticas educativas
interdisciplinares de ensino, pesquisa e difusão de conhecimentos referentes à
robótica, física e engenharia, visando o desenvolvimento científico e a inovação
tecnológica. A construção de um robô de sumô exige a aplicação de teorias
relacionadas à mecânica, eletrônica e programação, essas são constituintes
imbricados da Física, Engenharia e Robótica. A parte da mecânica é responsável
pela estrutura e locomoção do robô; a eletrônica é composta por componentes e
sinais eletrônicos que formam o circuito que mantêm a interface
mecânica/programação e a leitura dos estímulos externos; a programação
desempenha a função de interpretar esses dados lidos do ambiente, processá-los
para tomar as devidas decisões.
1.1. INTRODUÇÃO.
A Robótica tem sido utilizada, ao longo do seu percurso educativo, como
ferramenta para a aprendizagem dos mais diversos conteúdos, bem como para a
aquisição de inúmeras competências. Dentro deste conjunto alargado ressaltam as
áreas da Física, das Engenharias e da Informática, como aquelas que mais
diretamente estão ligadas à Robótica. No que diz respeito à Física, várias são as
áreas onde os principais conceitos poderão ser trabalhados de forma bastante direta
com atividades de Robótica. As tarefas que os robôs desempenham estão sempre
relacionadas com movimento, envolvendo inúmeros conceitos de Mecânica. A
Informática é diretamente abordada pelas atividades de programação do robô. A
Robótica fornece um excelente meio de tornar concretos e úteis, muitos conceitos
físicos aos mais diversos níveis. A Robótica torna possível a elaboração de
atividades que contemplam a aprendizagem baseada na resolução de problemas.
Para além destas áreas relacionadas com a Ciência e Tecnologia (e de outras não
referidas), a Robótica permite também a abordagem de áreas mais ligadas com a
educação artística. De fato, ao nível do planejamento e da construção dos robôs
podem trabalhar‐se diversas competências relacionadas com a Expressão Plástica,
o desenho mecânico, a eletrônica, a computação e a inovação tecnológica.
2. OBJETIVO.
Pesquisar, projetar e construir um robô de sumô, capaz de ganhar a
competição que será realizada pelo curso de Engenharias, Mecânica, de Produção e
Mecatrônica da Universidade Paulista – Unip.
3. REGRAS.
3.1. Baterias
a. Somente será permitido utilizar baterias de 12 V, com capacidade até 10 ah; b.
Cada equipe pode usar somente UMA bateria durante o combate;
b. Não será permitido o uso de baterias em série ou paralelo;
c. A bateria pode ser alojada tanto dentro quanto fora do robô;
d. A bateria NÃO poderá ser trocada nem carregada durante o combate;
e. A bateria somente poderá ser trocada ou carregada entre as lutas;
f. O peso da bateria conta na pesagem total do robô;
g. No caso de robôs controlados por radiofrequência, permite-se o uso de uma
bateria adicional somente para alimentar o controle, esta pode ser de qualquer
voltagem.
OBS: Os tipos mais comuns de baterias que atendem estas especificações são
baterias de No-Break.
3.2. Pesagem
a. O peso máximo do conjunto fica alterado para 14 kg, com tolerância de 200 g;
b. Será pesado todo o conjunto: Robô, bateria, fios do umbilical e controle;
c. Caso o robô seja controlado por computador, tanto para umbilical quanto para
radiofrequência, o computador NÃO será pesado.
3.3. Dimensões máximas
a. As dimensões máximas do robô ficam mantidas em 35 cm de largura por 35 cm
de comprimento e 35 cm de altura;
b. As dimensões serão medidas por meio de gabarito;
c. As armas, quando engatilhadas, devem obedecer às dimensões máximas
permitidas;
d. O alcance das armas pode passar as dimensões máximas, desde que a arma
consiga se rearmar e voltar às dimensões originais (dentro do limite máximo);
e. Não serão permitidos robôs “transformers”, que alteram suas dimensões
originais durante o combate.
3.4. Regras de combate – Fase classificatória
a. Na fase classificatória, os combates terão um round de 1 minuto e será adotado
o sistema de pontos;
b. O lutador que conseguir retirar COMPLETAMENTE o oponente do tatame,
vence a luta e ganha 3 pontos;
c. O lutador que conseguir avariar o oponente, de forma que ele pare de funcionar
e não possa continuar a luta, vence por nocaute e ganha 3 pontos;
d. Não é permitido cortar o umbilical do oponente;
e. Caso nenhum lutador consiga retirar o oponente no tempo estipulado, considera-
se empate e cada lutador ganha 1 ponto;
f. No caso do oponente tombar, sair parcialmente do tatame ou ficar preso, é
acionado um contador de 20 segundos.
g. O contador para caso o oponente consiga voltar ao combate antes de seu
término e a luta continua;
h. Se o contador terminar antes do término do round, será considerada vitória por
nocaute técnico e o oponente ganha 2 pontos;
i. Caso o round termine antes do contador, será considerado empate e cada
oponente ganha 1 ponto;
j. Se ocorrer parada dos dois robôs no tatame, será acionado um alarme de 20
segundos. Ao seu término será dado empate e cada oponente ganha 1 ponto.
3.5. Regras do combate – Fase eliminatória
a. Na fase eliminatória, cada luta será composta de 3 rounds de 1 minuto cada, no
sistema “melhor de três”;
b. O lutador que conseguir avariar o oponente, de forma que ele pare de funcionar
e não possa continuar a luta, vence por nocaute e não haverá mais rounds;
c. O robô que retirar TOTALMENTE o oponente do tatame, será considerado
vencedor do round;
d. Será considerado vencedor da luta, o robô que ganhar 2 rounds ou por nocaute;
e. Caso nenhum robô saia do tatame durante o tempo do round, é considerado
empate e ganha o robô de menor;
f. No caso do oponente tombar, sair parcialmente do tatame ou ficar preso, é
acionado um contador de 20 segundos;
g. O contador para caso o oponente consiga voltar ao combate antes de seu
término e a luta continua;
h. Se o contador terminar antes do término do round, será considerada vitória do
oponente, que ganha o round;
i. Caso o round termine antes do contador, será considerado empate e ganhará o
round o robô de menor peso;
j. Se ocorrer parada dos dois robôs no tatame, será acionado um alarme de 20
segundos. Ao seu término, ganhará o round o robô de menor peso;
k. Sempre, em caso de empate, será considerado ganhador o robô de menor peso;
3.6. Arena
a. A arena será retangular, com dimensões de 2,8 m de comprimento por 1,8 m de
largura;
b. Os oponentes serão colocados dentro da arena e iniciarão a luta em marcas
delimitadas, conforme Figura X;
c. A borda da arena será delimitada por linha zebrada de largura aproximada de 5
cm;
d. A superfície do tatame será lisa, podendo ser pintada, compensado ou MDF, a
ser definido pelo comitê de organização;
e. Todos os participantes irão competir sobre a mesma superfície.
4. FORMAÇÃO DAS EQUIPES E PLANEJAMENTO.
A reunião inicial teve como o objetivo a definição do nome da equipe e a divisão das subequipes levando em consideração os critérios de projeto, elétrica e mecânica.
4.1. Nome de Equipe.
O nome escolhido para a equipe foi:
MECATRON
4.2. Logo
A definição do logo levou em consideração uma imagem que fizesse alusão à robótica levando em consideração à mecânica, elétrica e a parte de automação representada pela a figura de um PIC.
4.3. Divisão da Equipe.
A equipe foi dividida levando em consideração as áreas e funções desempenhadas no projeto.
4.3.1. Equipe de Gerenciamento de Projetos.
Equipe responsável pelo gerenciamento e coordenação do projeto e possui as atividades de estabelecer o cronograma do projeto, controlar a evolução física e organizar as reuniões de follow up, assim como as reuniões de revisão técnica.
4.3.2. Equipe de Projetos.
Equipe responsável pela pesquisa e desenvolvimento que ficou responsável por pesquisar os campeonatos de Sumô de Robôs com o intuito de verificar qual a melhor estratégia e designer e estabelecer o conceito para o projeto
4.3.3. Equipe de Mecânica.
Equipe responsável por efetuar o detalhamento, assim como dimensionar os componentes mecânicos atendendo o escopo e a estratégia estabelecida pela a equipe de projeto.
4.3.4. Equipe de Elétrica e Controles.
Equipe responsável pela construção lógica, dimensionamento elétrico e software atendendo o escopo e a estratégia estabelecida pela a equipe de projeto.
4.4. Estabelecendo os Membros das Equipes
Os componentes de cada equipe foram estabelecidos conforme as necessidades do projeto e os conhecimentos individuais que cada membro possui.
4.5. Desenvolvimento do Planejamento e Cronograma
Mediante a data final para a entrega do projeto foi estabelecido o cronograma do projeto levando em consideração a metodologia de gerenciamento de projetos PMBOK.
4.5.1. Cronograma do Projeto
4.5.2. Atividades Macro do Projeto
Pesquisa e Desenvolvimento. Definição do Designer e Estratégia (Escopo do Projeto). Detalhamento Mecânico do Projeto. Detalhamento Elétrico. Fabricação Mecânica e Elétrica. Montagem e Testes.
5. EXECUÇÃO DO PROJETO.
5.1. Pesquisa e Desenvolvimento.
Após uma leitura minuciosa das regras para o combate a equipe de Projetos
iniciou uma pesquisa com um objetivo claro de estabelecer qual o designer e
estratégias que poderiam tornar o nosso projeto vencedor.
Como a nossa equipe “MECATRON” nunca havia participado de nenhum
projeto com esse de, não só projetar um robô de sumo, mas que esse robô fosse
competitivo e principalmente vencedor.
A equipe buscou várias fontes de amigos, por onde começar, mas foi na
internet, assistindo a vários campeonatos de guerra de sumô que a equipe percebeu
que poderia montar um critério de seleção pontuado as principais características que
tornavam um determinado robô campeão, porém, esses vídeos eram de
campeonatos com regras diferentes das nossas, mas o caminho era esse.
Primeiramente tentamos separar os campeonatos que mais se assemelhavam
com a estrutura, ou regras que nossa equipe estava sujeita. Após isso não difícil
verificar que os campeões possuíam características vencedoras e utilizamos esse
aprendizado par elaboramos um questionário para pontuar cada batalha e com isso
descobrir as características que poderiam tornar um robô vencedor.
5.2. Definição do Designer e Estratégia.
O questionário para a seleção do designer e estratégia levou em consideração os seguintes tópicos:
Agilidade Método de locomoção Dispositivos técnicos Velocidade Força Lay-out
Agilidade.
Durante a pesquisa, percebemos que os robôs que possuíam uma maior facilidade para a mudança de direção e a capacidade de se fazer curvas em um menor espaço lhe concedia uma vantagem sobre seu oponente, mesmo este possuindo aparentemente maior força.
Método de Locomoção.
Percebeu-se que os robôs vencedores possuíam rodas que lhe atribuíam vantagens em relação às esteiras. As dimensões variavam entre 50 a 100 mm e que a quantidade de rodas, duas, três ou quatro não eram atributos importantes em relação à agilidade e velocidade, porém a quantidade favoreciam o atrito e uma maior relação de força versos o peso.
Dispositivos Técnicos.
Foram verificados diversos tipos de dispositivos como serras, lanças, martelos, pás e etc, porém, os dispositivos que mais traziam vantagens, eram aqueles que possuíam uma boa relação entre pá fixa e facilidade de locomoção. Aqueles que possuíam, pás basculantes, ou pás fixas mas com baixa mobilidade chegaram até as finas, porém, perderam exatamente para aqueles que possuíam baixo centro de gravidade, ou seja, eram compactos e possuíam uma boa velocidade de mudança de direção o que facilitava a utilização da pelas laterais de seus oponentes.
Velocidade.
Percebemos que a velocidade por si só, não representava nenhuma vantagem, ao contrário, os que possuíam muita velocidade, porém, sem controle acabaram saindo do tatame e perdendo suas lutas. Os vencedores possuíam uma boa relação entre controle da velocidade em linha reta e nas curvas e combinados à baixos centros de gravidade.
Força.
Infelizmente nos filmes assistidos, não foi possível verificar o quando de força os robôs possuíam, mas o principal era que os vencedores possuíam força suficiente para arrastar os oponentes pelas às laterais e quando havia embates frontais não era possível verificar qual era o que possuía maior força já que um acabava passando por cima em virtude do lay-out.
Lay-out.
.Os robôs vencedores possuíam um lay-out simples geralmente retangular com uma inclinação frontal, baixo centro de gravidade, altura pequena e uma pá.
Resumo.
Os robôs vencedores combinaram as características acima e, sobretudo equilibrando peso, força, agilidade, velocidade com um dispositivo técnico simples como uma pá muito próxima ao piso. Utilizando esses atributos a equipe e projeto definiu as características do nosso robô.
5.3. Projeto do Robô.
5.3.1. Protótipo.
O projeto do robô levou em consideração a pesquisa e para visualizarmos como ficaria o desenho do nosso robô construímos um protótipo utilizando papelão para fazer a estrutura lata de cervejas para construir as rodas, câmera de pneu de bicicleta para atribuir atrito às rodas e arame de 3mm para os eixos.
O objetivo deste protótipo foi o de se verificar e se adaptar as dimensões estabelecidas pelas regras da competição e ter uma noção para a configuração da posição dos eixos e ter uma noção de espaço.
5.3.2. Projeto em 3D do Robô
Levando em consideração os dados da pesquisa e da fabricação do protótipo a equipe de projeto definiu o lay-out e estabeleceu as características técnicas do robô:
Dimensões: 30cm x 30 cm x 18 cm
Largura: 30cm x 30 cm
Altura: 30cm
Velocidade: 1m/s
Sistema de manobra: Através do acionamento dos motores e invertendo o sentido dos motores.
5.4. Detalhamento Mecânico.
Utilizando o conceito definido pela equipe de projetos a equipe de mecânica efetuou o detalhamento mecânico definindo os componentes para que o robô possa ter as dimensões e velocidade sugerida.
5.4.1. Dimensionamento dos Motores
5.4.1.1. Compreendendo Motores de Corrente Contínua.
Os motores possuem um papel fundamental na estratégia do nosso robô já que o mesmo deve ser capaz de chegar a uma velocidade de 1m/s e de empurrar uma estimativa de aproximadamente 30 quilos; 14 Kg do nosso robô e mais 16 Kg do nosso oponente.
A equipe buscou em diversas fontes; amigos, professores e a internet para entender o funcionamento e principalmente como dimensionar motores de corrente contínua, ou seja, como escolher os motores. Apesar de ser voltado para os seus produtos foi no site de SIEMENS que encontramos algumas informações referentes ao dimensionamento de motores.
Literatura tirada do “Guia rápido para uma especificação precisa” da SIEMENS
As máquinas de corrente contínua podem ser utilizadas tanto como motor quanto como gerador. Porém, uma vez que as fontes retificadoras de potência podem gerar tensão contínua de maneira controlada a partir da rede alternada, pode-se considerar que, atualmente, a operação como gerador fica limitada aos instantes de frenagem e reversão de um motor.
Atualmente, o desenvolvimento das técnicas de acionamentos de corrente alternada (CA) e a viabilidade econômica têm favorecido a substituição dos motores de corrente contínua (CC) pelos motores de indução acionados por inversores de freqüência. Apesar disso, devido às suas características e vantagens, que serão analisadas adiante, o motor CC ainda se mostra a melhor opção em inúmeras aplicações, tais como:
Máquinas de Papel Bobinadeiras e desbobinadeiras Laminadores Máquinas de Impressão Extrusoras Prensas Elevadores Movimentação e Elevação de Cargas
Moinhos de rolos Indústria de Borracha Mesa de testes de motores
Aspectos Construtivos
O motor de corrente contínua é composto de duas estruturas magnéticas:
Estator (enrolamento de campo ou ímã permanente); Rotor (enrolamento de armadura).
O estator é composto de uma estrutura ferromagnética com pólos salientes aos quais são enroladas as bobinas que formam o campo, ou de um ímã permanente. A figura 1 mostra o desenho de um motor CC de 2 pólos com enrolamento de campo.
O rotor é um eletroímã constituído de um núcleo de ferro com enrolamentos em sua superfície que são alimentados por um sistema mecânico de comutação (figura 2). Esse sistema é formado por um comutador, solidário ao eixo do rotor, que possui uma superfície cilíndrica com diversas lâminas às quais são conectados os enrolamentos do rotor; e por escovas fixas, que exercem pressão sobre o comutador e que são ligadas aos terminais de alimentação. O propósito do comutador é o de inverter a corrente na fase de rotação apropriada de forma a que o conjugado desenvolvido seja sempre na mesma direção.
Os enrolamentos do rotor compreendem bobinas de n espiras. Os dois lados de cada enrolamento são inseridos em sulcos com espaçamento igual ao da distância entre dois pólos do estator, de modo que quando os condutores de um lado estão sob o pólo norte, os condutores do outro devem estar sob o pólo sul. As bobinas são conectadas em série através das lâminas do comutador, com o fim da última conectado ao início da primeira, de modo que o enrolamento não tenha um ponto específico.
Todos os motores de corrente contínua da Siemens possuem uma estrutura magnética completamente laminada, sendo, portanto adequados para utilização com conversor CA/CC, e no caso de processos com alta dinâmica, consegue-se uma taxa de aumento da corrente de até 250xIN por segundo.
Princípio de Funcionamento
A figura abaixo, de maneira simplificada, o funcionamento do motor CC de dois pólos.
A figura acima é um desenho esquemático simples de um motor onde o estator é constituído por ímãs permanentes e o rotor é uma bobina de fio de cobre esmaltado por onde circula uma corrente elétrica. Uma vez que as correntes elétricas produzem campos magnéticos, essa bobina se comporta como um ímã permanente, com seus pólos N (norte) e S (sul) como mostrados na figura.
Comecemos a descrição pela situação ilustrada em (a) onde a bobina apresenta-se horizontal. Como os pólos opostos se atraem, a bobina experimenta um torque que age no sentido de girar a bobina no sentido anti-horário. A bobina sofre aceleração angular e continua seu giro para a esquerda, como se ilustra em (b).
Esse torque continua até que os pólos da bobina alcance os pólos opostos dos ímãs fixos (estator). Nessa situação (c) – a bobina girou de 90o – não há torque algum, uma vez que os braços de alavanca são nulos (a direção das forças passa pelo centro de rotação); o rotor está em equilíbrio estável (força resultante nula e torque resultante nulo). Esse é o instante adequado para inverter o sentido da
corrente na bobina. Agora os pólos de mesmo nome estão muito próximos e a força de repulsão é intensa. Devido à inércia do rotor e como a bobina já apresenta um momento angular “para a esquerda”, ela continua girando no sentido anti-horário (semelhante a uma “inércia de rotação”) e o novo torque (agora propiciado por forças de repulsão), como em (d), colabora para a manutenção e aceleração do movimento de rotação.
Mesmo após a bobina ter sido girada de 180o, situação não ilustrada na figura, o movimento continua, a bobina chega na “vertical” – giro de 270o –, o torque novamente se anula, a corrente novamente inverte seu sentido, há um novo torque e a bobina chega novamente à situação (a) – giro de 360o. E o ciclo se repete.
Essas atrações e repulsões bem coordenadas é que fazem o rotor girar. A inversão do sentido da corrente (comutação), no momento oportuno, é condição indispensável para a manutenção dos torques ”favoráveis”, os quais garantem o funcionamento dos motores.
A comutação consiste na mudança de uma lâmina do comutador, onde as bobinas são ligadas em série, para a próxima. Durante esta comutação a bobina é momentaneamente curto- circuitada pelas escovas, o que ajuda a liberar energia a armazenada, antes de a corrente fluir no sentido oposto. Porém, como essa inversão de corrente não é instantânea, uma força eletromotriz é induzida na espira.
O que origina uma corrente de curto-circuito que circula no coletor, nas espiras e nas escovas. Após o curto-circuito, a interrupção dessa corrente dá origem ao aparecimento de faíscas nos contatos das escovas com o coletor, que podem gerar arcos elétricos perigosos e que danificam o coletor, tendo portanto que ser eliminadas.
A fim de eliminar as faíscas, torna-se necessário induzir na espira, durante o curto-circuito, uma força eletromotriz que anule a resultante do processo de comutação, conseguido através dos pólos de comutação, de menores dimensões e situados sobre a linha neutra e percorridos pela mesma corrente do rotor. No entanto estes pólos, além de anularem o fenômeno da comutação, enfraquecem o fluxo do estator – fenômeno chamado de “reação magnética do rotor”. Nas máquinas de grandes dimensões esse fenômeno é eliminado através dos enrolamentos de compensação que, ligados em série com o rotor e colocados na periferia dos pólos do estator, geram um fluxo com a mesma intensidade e sentido contrário do fluxo de reação, anulando-o.
A figura abaixo mostra um desenho esquemático bastante simplificado de um motor CC com apenas uma bobina, o comutador e as escovas.
Em sua forma mais simples, o comutador apresenta duas placas de cobre encurvadas e fixadas (isoladamente) no eixo do rotor; os terminais do enrolamento da bobina são soldados nessas placas. A corrente elétrica “chega” por uma das escovas (+), “entra” pela placa do comutador, “passa” pela bobina do rotor, “sai” pela outra placa do comutador e “retorna” à fonte pela outra escova (-). Nessa etapa o rotor realiza sua primeira meia-volta. Nessa meia-volta, as placas do comutador trocam seus contatos com as escovas e a corrente inverte seu sentido de percurso na bobina do rotor. E o motor CC continua girando, sempre com o mesmo sentido de rotação.
Controle de Velocidade nos Motores CC
O modelo do circuito elétrico do motor CC é ilustrado na figura abaixo.
A Lei de Kirchhoff aplicada ao circuito de armadura resulta em:
Eq.(1)
Onde:
Ua = Tensão de armadura
Ra = Resistência da armadura
Ia = Corrente de armadura
E = Força Eletromotriz induzida ou Força Contra-Eletromotriz da armadura
Pela Lei da Indução de Faraday, a força eletromotriz induzida é proporcional ao fluxo e à rotação, ou seja:
Eq.(2)
Combinando as eq. (1) e (2), a expressão para a velocidade do motor CC é dada por:
Eq.(3)
Onde: n = velocidade de rotação
k1 = constante que depende do tamanho do rotor, do número de pólos do rotor, e como essas pólos são interconectados.
f = fluxo no entreferro
Admitindo-se que a queda de tensão na armadura é pequena, ou seja, R a .I a = 0 , a expressão (1) se reduz a:
Eq.(4)
Portanto, a velocidade é diretamente proporcional à tensão de armadura, e inversamente proporcional ao fluxo no entreferro.
O controle da velocidade, até a velocidade nominal1, é feito através da variação da tensão de armadura do motor, mantendo-se o fluxo constante.
Velocidades superiores à nominal podem ser conseguidas pela diminuição do fluxo, mantendo-se a tensão de armadura constante.
Sabendo que o fluxo é proporcional à corrente de campo, ou seja:
Eq.(5)
Onde:
k2 = constante
If = corrente de campo
Tais velocidades são atingidas através da diminuição da corrente de campo, mantendo-se a tensão de armadura constante.
O conjugado do motor é dado por:
Eq.(6)
Onde:
C = conjugado eletromagnético do motor
k3 = constante
Como dito anteriormente, o controle de velocidade, até à rotação nominal é feito através da variação da tensão da armadura, mantendo-se o fluxo constante. Dessa forma, observando-se a eq. (6) a corrente de armadura se eleva transitoriamente, de forma apreciável, de modo a produzir o conjugado total requerido pela carga, mais o conjugado necessário para a aceleração.
O conjugado acelerador incrementa a velocidade da máquina e, de acordo com a eq. (2), a força eletromotriz induzida no motor também aumenta. Assim, segundo a eq. (1), a corrente transitória cai até um ponto de equilíbrio, que corresponde à manutenção do torque exigido pela carga.
Esse ponto de equilíbrio é definido pelo valor da tensão de armadura aplicado e pela queda de tensão na resistência de armadura, como mostra a eq. (1). Se o conjugado requerido pela carga for constante, o motor tenderá a supri-lo, sempre absorvendo uma corrente de armadura também praticamente constante. Somente
durante as acelerações provocadas pelo aumento da tensão, que transitoriamente a corrente se eleva para provocar a aceleração da máquina, retornando após isso, ao seu valor original. Portanto, em regime, o motor CC opera a corrente de armadura essencialmente constante também. O nível dessa corrente é determinado pela carga no eixo. Assim, no modo de variação pela tensão de armadura, até a rotação nominal, o motor tem a disponibilidade de acionar a carga exercendo um torque constante em qualquer rotação de regime estabelecida, como mostra a figura 6, que representa as curvas características dos motores CC. Esse torque pode ser qualquer, até o limite do valor nominal, que corresponde a uma corrente de armadura nominal, definida por aspectos térmicos de dimensionamento do motor.
O controle da velocidade após a rotação nominal é feito variando-se o fluxo e mantendo a tensão de armadura constante e, por isso, chama-se zona de enfraquecimento de campo.
Pela eq. (4), para se aumentar a velocidade, deve-se reduzir o fluxo, existindo entre ambos, uma relação hiperbólica. Ainda, combinando as equações (4) e (6), tem-se:
Eq.(7)
Portanto, acima da rotação nominal, como tensão e corrente de armadura são constantes, o conjugado é inversamente proporcional à rotação, como também pode ser visto na figura acima.
Tipos de Excitação
As características dos motores de corrente contínua são profundamente afetadas pelo tipo de excitação prevista. A tabela 1 apresenta os diferentes tipos de excitação e suas respectivas características.
Vantagens e desvantagens dos acionamentos em corrente contínua
Dependendo da aplicação, os acionamentos em corrente contínua são geralmente os que apresentam os maiores benefícios, também em termos de confiabilidade, operação amigável e dinâmica de controle. Por outro lado, esse tipo de acionamento apresenta algumas desvantagens.
Vantagens
Operação em 4 quadrantes com custos relativamente mais baixos Ciclo contínuo mesmo em baixas rotações Alto torque na partida e em baixas rotações Ampla variação de velocidade Facilidade em controlar a velocidade Os conversores CA/CC requerem menos espaço Confiabilidade Flexibilidade (vários tipos de excitação) Relativa simplicidade dos modernos conversores CA/CC
Desvantagens
Os motores de corrente contínua são maiores e mais caros que os motores de indução, para uma mesma potência Maior necessidade de manutenção (devido aos comutadores) Arcos e faíscas devido à comutação de corrente por elemento mecânico (não pode ser aplicado em ambientes perigosos) Tensão entre lâminas não pode exceder 20V, ou seja, não podem ser alimentados com tensão superior a 900V, enquanto que motores de corrente alternada podem ter milhares de volts aplicados aos seus terminais.
5.4.1.2. Dimensionamento dos Motores.
Após a leitura da literatura adquirida no site da SIEMENS percebemos que seria dificilmente utilizada já que não iríamos adquirir os motores da SIEMENS e por tanto deveríamos estabelecer uma nova abordagem, pois, utilizaríamos motores adquiridos em lojas voltadas para o seguimento de robótica e automação como os motores abaixo até pelo preço.
Os motores adquiridos não possuíam as informações referentes ao torque e muito menos o RPM atingido por esses motores e alguns nem mesmo o código de série.
Após várias tentativas frutadas de encontrar os dados técnicos de cada motor na Internet, decidimos determina-las empiricamente, testando cada motor e para isso utilizamos uma fonte de 12V e 10A, multímetro, balança e um tacômetro.
Motor 1 Motor 2 Motor 3
Com os instrumentos, foi montado um dispositivo para a medição do torque e rotação dos motores.
Resultados:
Motor 1 Medições
1 2 3
Rotação (RPM) 715 716 715
Tensão (V) 12 12 12
Corrente (A) 3,84 3,83 3,84
Torque (kgf) 28 28 28
Motor 2 Medições
1 2 3
Rotação (RPM) 173 173 173
Tensão (V) 12 12 12
Corrente (A) 0,65 0,65 0,65
Torque (kgf) 19 19 19
Motor 3 Medições
1 2 3
Rotação (RPM) 195 195 195
Tensão (V) 12 12 12
Corrente (A) 1,34 1,34 1,34
Torque (kgf) 1,2 1,2 1,2
Com os dados dos motores obtidos, somente após o desenho do carrinho seria possível escolher o motor que melhor se adéqua ao projeto, entretanto o motor 3 já foi descartado e o motor 1 provavelmente será descartado em virtude do sue tamanho.
6.5. DETALHAMENTO E MONTAGEM DO CARRINHO EM SOFTWARE 3D – INVENTOR.
Utilizamos o INVENTOR, para desenhar, projetar a parte mecânica pela facilidade de se verificar o posicionamento das peças e as interferências de modo geral.
Durante o desenho percebeu- se a inviabilidade de utilização do motor número 1, pois não seria possível acomodá-lo entre as rodas. O desenho teve que ser alterado diversas vezes em função da dificuldade de obtenção das peças, como por exemplo, rolamentos e polias dentadas. O projetos está na revisão 5 e provavelmente ainda sofrerá mais algumas alterações em função da montagem e testes.
6.5.1 Desenho em 3D.
6.5.2 Lista de Peças e Valores.
tabela de custo do material mecânico robô sumo Quantidade Descrição do material Custo Unitário R$ Custo Tortal R$
1 Chapa de Alumínio 30x30 cm 48,00 48,00
4 Rodas de Borrachas 29,00 116,00
8 Rolamentos SKF 5,80 46,40
8 Suportes dos eixos 28,00 224,00
8 Buchas dos suportes dos eixos 10,00 80,00
4 Eixos 15,00 60,00
2 Motores de 12V ‐ 10A 135,00 270,00
4 Correia Dentadas l =120mm 12,00 48,00
4 Polias dentadas de Z=14 24,00 96,00
4 Polias dentadas de Z=10 22,00 88,00
16 Parafusos M6x10mm 0,26 4,16
4 Parafusos M3x10mm 0,15 0,60
4 Parafusos M3x5mm sextavado interno 0,22 0,88
4 Parafusos M3x15mm cabeça chata 0,35 1,40
1 Chapa de fechamento do carrinho Em orçamento
Total 1083,44
6.5.3 Peças Fabricadas
7. Detalhamento Elétrico.
O projeto elétrico teve duas vertentes, uma para construir um controle simples que possibilitasse apenas o controle da direção do carrinho e a outra, a construção de uma placa de circuito com PWM, Microprocessador e controle.
7.1 Controle Simples
Utilizamos o software AutoCAD, adquirido gratuitamente para quem estuda
pelo site da AutoDesk, para fazermos os primeiros esboços do projeto.
Com o cabo manga utilizaremos 8 fios em um único cabo, que facilita muito a
ligação entre os componentes do carrinho (bateria, 2 motores e chave ON/OFF) com
os componentes do controle ( 2 chaves reversíveis tipo H).
Foi ligado diretamente nas chaves o cabo manga, 4 fios para cada chave
reversível, como mostraremos no esquema a seguir:
A bateria fica ligada como alimentaçao do circuito, a chave ON/OFF ficou com
a função Liga e desliga do sistema, e as chaves reversíveis que estao no controle
remoto servem para:
Fazer o carrinho ir para frente
Fazer o carrinho ficar parado
Fazer o carrinho virar para a esquerda ou diretia
Fazer o carrinho girar para a esquerda ou direita sem sair do lugar.
Fazer o carrinho ir para trás
CHAVE ON/OFF (liga/desliga)
Chaves ON/OFF/ON (chaves reversíveis tipo H)
Fita isolante
Cabo polar (vermelho e preto)
Ferramentas Utilizadas: chave philips, chave de fenda, alicate, alicate jacaré e alicate cortador de fio.
Cabo manga com 8 fios
Pontes
A Ponte-H torna possível que o motor rode tanto para um sentido quanto o outro.
Estes circuitos são geralmente utilizados em robótica e estão disponíveis em
circuitos prontos ou podem ser construídos por componentes.
Circuito elétrico
Circuito elétrico
Esquema de motores
Dois motores para trás
Dois motores para frente
Um motor para frente e outro para trás
Controle Simplificado.
7.2. Placa de Circuito e Controle.
Como segundo plano, ou melhoria do sistema de controle de potencia e velocidade, a equipe em conjunto com o Professor Hugo, foi desenvolvida, uma placa de circuito com microprocessador.
PROGRAMAÇÃO UTILIZADA NO MICROCONTROLADOR. #include "C:\Users\User\Desktop\APS\Controle com PIC\TESTE COM PWM\TESTE COM PWM E ADC\TESTE COM PWM E ADC.h" #use rs232(baud=9600, xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7)//fala que vai usar comunicação serial void main() { float v; char LeituraControle; char LeituraControle2;
setup_adc_ports(AN0_AN1_AN3); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); setup_psp(PSP_DISABLED); setup_spi(SPI_SS_DISABLED); setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_1); setup_timer_1(T1_DISABLED); setup_timer_2(T2_DIV_BY_4,249,1); setup_ccp1(CCP_PWM); setup_ccp2(CCP_PWM); set_pwm1_duty(0); set_pwm2_duty(0); setup_comparator(NC_NC_NC_NC); setup_vref(FALSE); //******************* INICIO DO PROGRAMA ***************** While(true){ output_high(pin_e0); set_adc_channel(0);//só coloca o valor da porta utilizada (AN0)usa-se 0 delay_us (10); v=read_adc(); v=v*0.004887585532746823069403714565;//5v tensão max leitura dividido por 1023 printf(" %f \n \r",v); delay_ms(0); LeituraControle = input_b();// filtro de ruido delay_ms(20); // dos botões LeituraControle2= input_b();// deentrada printf("\n aquisitado a leitura \r"); //mostra na tela do pc aonde está o programa if (LeituraControle==LeituraControle2){ // condição do filtro printf("\n detectada igualdade \r"); switch (LeituraControle){ case 255://nenhum botão apertado while (LeituraControle == 255){//enquanto os botões printf("\n robo parado \r"); output_low (pin_c0); // desliga relay's M1 frente output_Low (pin_c3); // desliga relay's M2 frente set_pwm2_duty(0);//0%
set_pwm1_duty(0);//0% output_high (pin_c4); // Desliga PWM1/CCP2 output_high (pin_c5); // Desliga PWM2/CCP1 LeituraControle = input_b();} break; case 254://R1 apertado while (LeituraControle == 254){ printf("\n R1: robo frente \r"); output_low (pin_c0); // liga para frente relay's M1 output_Low (pin_c3); // liga para frente relay's M2 set_pwm2_duty(1000);//100% set_pwm1_duty(1000);//100% output_low (pin_c4); // liga PWM1/CCP2 output_low (pin_c5); // liga PWM2/CCP1 LeituraControle = input_b(); } break; case 253://R2 apertado while (LeituraControle == 253){ printf("\n R2: robo em re \r"); output_high (pin_c0); // liga para tras relay's M1 output_high (pin_c3); // liga para tras relay's M2 set_pwm2_duty(1000);//100% set_pwm1_duty(1000);//100% output_low (pin_c4); // liga PWM1/CCP2 output_low (pin_c5); // liga PWM2/CCP1 LeituraControle = input_b(); } break; case 238://R1+esquerda apertado while (LeituraControle == 238){ printf("\n R1 + < : frente esquerda \r"); output_low (pin_c0); // desliga relay's M1 frente output_low (pin_c3); // desliga relay's M2 frente set_pwm2_duty(0);//0% set_pwm1_duty(1000);//100% output_high (pin_c4); // desliga PWM1/CCP2 output_low (pin_c5);// liga PWM2/CCP1 LeituraControle = input_b(); } break; case 222://R1+direita apertado while (LeituraControle == 222){ printf("\n R1 + < : frente direita \r"); output_low (pin_c0); // desliga relay's M1 frente output_low (pin_c3); // desliga relay's M2 frente
set_pwm2_duty(1000);//100% set_pwm1_duty(0);//0% output_low (pin_c4);// liga PWM1/CCP2 output_high (pin_c5); // desliga PWM2/CCP1 LeituraControle = input_b(); } break; case 237://R2+esquerda apertado while (LeituraControle == 237){ printf("\n R2 + < : re esquerda \r"); output_high (pin_c0); // liga relay's M1 frente output_high (pin_c3); // liga relay's M2 ré set_pwm2_duty(0);//0% set_pwm1_duty(1000);//100% output_high (pin_c4);// desliga PWM1/CCP2 output_low (pin_c5); // liga PWM2/CCP1 LeituraControle = input_b(); } break; case 221://r2+direita apertado while (LeituraControle == 221){ printf("\n R2 + > : re direita \r"); output_high (pin_c0); // liga relay's M1 frente output_high (pin_c3); // liga relay's M2 ré set_pwm2_duty(1000);//100% set_pwm1_duty(0);//% output_low (pin_c4); // liga PWM1/CCP2 output_high (pin_c5); // desliga PWM2/CCP1 LeituraControle = input_b(); } break; case 251://L1 apertado while (LeituraControle == 251){ printf("\n L1 : giro horario \r"); output_low (pin_c0); // desliga relay's M1 ré output_high (pin_c3); // liga relay's M2 frente set_pwm2_duty(1000);//100% set_pwm1_duty(1000);//100% output_low (pin_c4); // liga PWM1/CCP2 output_low (pin_c5); // liga PWM2/CCP1 LeituraControle = input_b(); } break; case 247://L2 apertado while (LeituraControle == 247){ printf("\n L2 : giro anti-horario \r");
output_high (pin_c0); // liga relay's M1 ré output_low (pin_c3); // desliga relay's M2 frente set_pwm1_duty(1000);//100% set_pwm1_duty(1000);//100% output_low (pin_c4); // liga PWM1/CCP2 output_low (pin_c5); // liga PWM2/CCP1 LeituraControle = input_b(); } break; } } } } Desenho do Controle
ARQUITETURA DO PIC16F874A/877A.
CIRCUITO PROJETADO EM SOFTWARE.
TABELA DA VERDADE PARA COMANDOS DOS MOTORES.
Tabela de Materiais e Custos - Eletrônica
tabela de custo material eletronica robo sumo
Quantidade Descrição do material Custo Unitário R$ Custo Tortal R$
1 pic16f877a 15,50 15,50
12 Push Boton 1,50 15,00
1 Boton 1,50 1,50
2 Led Blue 1,00 2,00
1 Led Red 0,20 0,20
1 Potenciometro 1k 1,20 1,20
1 Resistor 1k 0,10 0,10
1 Resistor 10k 0,10 0,10
1 Array 10k 1,00 1,00
1 Xtal 4MHZ 1,00 1,00
2 Capacitor Ceramico 33pF 0,10 0,20
1 CI 7805 1,20 1,20
2 Diodo Retificador 1n4007 0,20 0,40
2 Transisto Power TIP 36C 4,16 8,32
2 Transistor BC558 PNP 0,50 1,00
4 Transistor BC547 NPN 0,50 2,00
2 Opto Acoplador 2n35 1,30 2,60
4 Relay 12v/30A ch1 7,80 31,20
1 Conector 2vias 0,80 0,80
1 PCI Perfurada 10x20 10,50 10,50
1 PCI Perfurada5x10 3,00 3,00
1 Conector DB9 macho 0,70 0,70
1 Conector DB Femêa 0,70 0,70
1 Cabo Manga 10vias 3,00 9,00
1 Capacitor Eletrolítico 1000mf 1,50 1,50
1 Capacitor Eletrolítico 100mf 0,90 0,90
4 Capacitor Ceramico 1nf 0,10 0,40
Total 342,02
8. Montagem Final e Testes
A montagem final e teste ocorrerão na segunda semana do mês de junho em virtude das provas NP2
7- Conclusão
O projeto do robô de uma maneira geral acrescentou com o aprendizado em diversas áreas. Tivemos a oportunidade de aplicar os conhecimentos adquiridos desde o projeto mecânico, eletrônica digital e analógica, porém a equipe encontrou muita dificuldade para obter auxílio para o dimensionamento e teste dos motores. Também tivemos muitas dificuldades para a fabricação das componentes, pois o laboratório de fabricação mecânica (usinagem) só estava disponível em horário de aulas. Durante a escolha dos componentes mecânicos, como polias dentadas e rolamentos, tivemos que alterar várias vezes o projeto por não encontrar as especificações do projeto.
O calendário também foi bastante apertado levando em consideração a quantidade de trabalhos que tivemos que entregar.
8- Bibliografia
http://www.siemens.com.br
http://www.robocore.com.br
http://www.ferramentasgerais.com.br
http://www.dinaborrachas.com.br
