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Tecnicas de proyecto aplicadas en el desenvolvimiento de un microposicionador angular
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UNIVERSIDADE DE SO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE SO CARLOS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA
TCNICAS DE PROJETO APLICADAS NO DESENVOLVIMENTO DE UM MICROPOSICIONADOR
ANGULAR
LUCIANA MONTANARI, Enga. Mecnica
Dissertao apresentada Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica
Orientador: Prof. Jaime Gilberto Duduch, Ph.D.
So Carlos - 1999 -
Aos meus pais Heitor e Zlia,
aos meus irmos Nelci, Suzelei, Adevair e Geovana
e a minha sobrinha Anna.
AGRADECIMENTOS
Agradeo a Deus por tudo.
Ao Prof. Dr. Jaime Gilberto Duduch pela orientao e amizade.
Ao meu grande amigo e Co-orientador Prof. Juan Carlos Campos
Rubio (UFMG) pela sugestes, discusses e empenho em ajudar-me em
toda a realizao desse trabalho.
Ao Fernando Santoro pelas discusses sobre modelagem e
simulaes, pela sua pacincia e especialmente pela sua amizade.
Kelen e Gi por serem grandes amigas e companheiras.
Ao Prof. Dr. Rosalvo Tiago Ruffino pelas dicas sobre teoria de projeto.
Aos meus amigos e companheiros de laboratrio Helder, Renato,
Pagotto e Rogrio pela ajuda e discusses sobre o trabalho, alm de
proporcionarem um timo ambiente de trabalho.
Ao Prof. Dr. Arthur Jos Vieira Porto pela ajuda sempre que
necessria.
Ao Godoy que ajudou-me, principalmente com problemas
relacionados a computador e especialmente pelo seu companheirismo.
Aos meus amigos da ps Fabiana, Rodrigo, Mariano, Volnei, Ana
Lcia, Marcello (Barata), Marcelo (Barro), Claudio, Z Luiz, Geraldo,
Celso, Neilor, Teodora, Richard, Panam, Alexandre (Chiquinho), Alexandre,
Klauss, Dinho, Schammas, Leonardo, Rogrio, Paulo, Jalon, Fabrcio Flores,
Fabrcio Tadeu, Vagner, Rosenda, Denise, Toddy, Luciano.
Ao Jos pelas discusses relacionadas a problemas matemticos.
Ao Deivid e ao Gustavo Cristiano Pereira pela ajuda nos desenhos.
D. Nilza e Sr. Romualdo pelo carinho e ateno com que me
receberam e aos deliciosos almoos de domingo.
s meninas da secretaria, Ana Paula e Beth, pela disposio em
ajudar-me sempre que necessrio. Em especial Beth pelas suas oraes e
carinho.
Ao Fer pela sua amizade e ajuda desde a minha chegada a So
Carlos.
Aos meus amigos do vlei: Marisa, Ceclia, Tati, Sabrina, Cris,
Juliana, Flvia, Malu, Sissy, Teresinha, Virgnia, Vanessa, Eveline, Virglio,
James, Batman, Jlio, Tano, Fabiano, Daniel, M, Klein, Marquinhos,
Pochete, Bisteca e Joel.
Ao CNPq pelo apoio financeiro concedido durante o desenvolvimento
deste trabalho.
Agradecimento especial aos meus pais e irmos pelo incentivo e
apoio em todos os momentos.
Sumrio i
SUMRIO
LISTA DE FIGURAS ......................................................................................iv
LISTA DE TABELAS ......................................................................................vi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ........................................................vii
LISTA DE SMBOLOS ..................................................................................viii
RESUMO ........................................................................................................x
ABSTRACT ....................................................................................................xi
1 INTRODUO ..........................................................................................1
1.1 - Aspectos gerais .........................................................................1
1.2 - Justificativas ..............................................................................5
1.3 - Objetivos ....................................................................................6
2 - REVISO DA LITERATURA .....................................................................9
2.1 - Projeto .......................................................................................9
2.1.1 - A histria do projeto em engenharia ...............................9
2.1.2 - Definies de projeto ....................................................11
2.1.3 - Mtodos de projeto de engenharia ...............................12
2.1.4 - Mtodos sistemticos de projeto ..................................14
2.1.5 - Morfologia do processo de projeto ................................18
2.1.6 - Modelos prescritivos .....................................................19
2.1.7 - Uma avaliao crtica dos modelos prescritivos ...........30
2.1.8 - Um estudo mais profundo do modelo de Krick .............33
2.1.8.1 - Formulao do problema .....................................34
2.1.8.2 - Anlise do problema .............................................35
Sumrio ii
2.1.8.3 - Procura de solues .............................................35
2.1.8.4 - Tomada de deciso ..............................................37
2.1.8.5 - Especificao da soluo .....................................42
2.1.9 - Concluso .....................................................................43
2.2 - Sistemas Posicionadores de Preciso ....................................43
2.2.1 - Consideraes gerais ...................................................44
2.2.2 - Classificao dos sistemas de posicionamento ............45
2.2.3 - Estrutura funcional de um posicionador ........................46
2.2.4 - Componentes de um posicionador ...............................48
2.2.4.1 - Guias de movimento ............................................49
2.2.4.2 - Transmisses mecnicas conversoras ................55
2.2.4.3 - Acionamento .......................................................58
2.2.4.4 - Sensores ..............................................................63
2.2.5 - Concluso .....................................................................70
3 - METODOLOGIA DE PROJETO ..............................................................71
3.1 - A escolha do modelo ...............................................................71
3.2 Anlise tcnica ..........................................................................72
3.2.1 - Procura de solues ....................................................72
3.2.2 - Princpio de funcionamento...........................................74
3.2..3 - Anlise de valor ............................................................75
4 MODELAGEM CINEMTICA .................................................................79
4.1 Introduo ................................................................................79 4.2 Definio de Matriz de Transformao Homognea ...............79
4.2.1 - Movimento de translao ..............................................81
4.2.2 - Movimento de rotao ..................................................83
Sumrio iii
4.3 - Descrio do mecanismo ........................................................86
4.4 - Sistema de coordenadas cartesianas .....................................87
4.5 - Anlise cinemtica ...................................................................89
4.6 - Descrio dos movimentos para os atuadores .......................89
4.6.1 - Atuador B ......................................................................90
4.6.2 - Atuador A ......................................................................94
4.6.3 - Atuador C ......................................................................98
5 SIMULAES ......................................................................................105
6 - CONCLUSES E SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS .......114
BIBLIOGRAFIA ...........................................................................................118
APNDICE Desenhos do microposicionador angular
Lista de Figuras iv
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1.1 O desenvolvimento da usinagem no sculo XX (TANIGUCHI,
1983) .........................................................................................2
FIGURA 1.2: Esquema da localizao do posicionador. ................................7
FIGURA 2.1 Representao de um sistema .............................................16
FIGURA 2.2 Decomposio da caixa preta ...............................................16
FIGURA 2.3 Modelo de Watts (EVBUOMWAN et al., 1996) .....................22
FIGURA 2.4 Modelo de Marples (EVBUOMWAN et al., 1996) .................23
FIGURA 2.5 Modelo de Archer (EVBUOMWAN et al., 1996) ....................24
FIGURA 2.6 - Modelo de Krick .....................................................................25
FIGURA 2.7 Modelo de Nigel Cross ..........................................................26
FIGURA 2.8 Modelo de French (EVBUOMWAN et al., 1996) ...................28
FIGURA 2.9 Modelo VDI 2221 (MARIBONDO et al., 1998) ......................30
FIGURA 2.10 Modelo de Krick ..................................................................34
FIGURA 2.11 Passos da avaliao das variantes .....................................40
FIGURA 2.12 - Estrutura funcional de um posicionador ..............................47
FIGURA 2.13 Curvas caractersticas de atrito em guias (LICHTBLAU,
1989) .......................................................................................50
FIGURA 2.14 (a) Esquema construtivo de um PZT (PHYSIK
INSTRUMENTE, 1992); (b) Tipo de PZT comercial ................62
FIGURA 2.15 Princpio operacional de um laser interferomtrico
(TAVARES, 1995) ...................................................................67
FIGURA 2.16 Interfermetro de Michelson ...............................................68
FIGURA 2.17 Interfermetro de Fizeau .....................................................69
FIGURA 3.1 - Tipos construtivos de posicionadores angulares - (a) cunha de
encosto angular, (b) cunha de apoio semi-esfrico, (c)
transmisso por came, (d) posicionador micromtrico
diferencial, (e) transmisses rotativas, (f) plataforma de Stewart
..................................................................................................73
FIGURA 4.1 Sistema de coordenadas cartesianas ...................................80
Lista de Figuras v
FIGURA 4.2 Rotao do sistema (XL, YL, ZL) em torno do eixo XR ........83 FIGURA 4.3 Rotao do sistema (XL, YL, ZL) em torno do eixo YR ........84 FIGURA 4.4 Rotao do sistema (XL, YL, ZL) em torno do eixo ZR .........85 FIGURA 4.5 Esquema do posicionador angular ........................................86
FIGURA 4.6 Sistema absoluto de coordenadas OXYZ, segundo a regra da
mo direita ...............................................................................87
FIGURA 4.7 - Posio do sistema absoluto de coordenadas OXYZ no
posicionador ............................................................................88
FIGURA 4.8 Posicionador na posio inicial .............................................88
FIGURA 5.1 Esquema do posicionador mostrando os ngulos de rotao
em torno de X e Y ...............................................................105
FIGURA 5.2 Variao dos ngulos 1 e 2 ..............................................106 FIGURA 5.3 Fixao do ngulo 2 e variao do ngulo 1 .....................108 FIGURA 5.4 Fixao do ngulo 1 e variao do ngulo 2 .....................109 FIGURA 5.5 Posio inicial do posicionador no referencial relativo ........110
FIGURA 5.6 Variao dos ngulos 1 e 2 para l=60 mm ........................111 FIGURA 5.7 Fixao do ngulo 2 e variao do ngulo 1 para l=60 mm
.............................................................................................112
FIGURA 5.8 Fixao do ngulo 1 e variao do ngulo 2 para l=60 mm .............................................................................................113
Lista de Tabelas vi
LISTA DE TABELAS
TABELA 2.1 Determinao do valor global (HNHE, 1990b) ...................42
TABELA 2.2 Comparao entre guias de preciso ...................................52
TABELA 2.3 Caractersticos tcnicos de mancais de preciso .................55
TABELA 2.4 Propriedades das caractersticas de diferentes fusos (WECK
et al., 1998) ..............................................................................58
TABELA 2.5 Dados comparativos de sistemas de medio (TAVARES,
1995) .......................................................................................66
TABELA 3.1 - Fatores de importncia ..........................................................76
TABELA 3.2 Determinao do valor global do posicionador .....................77
Lista de Abreviaturas e Siglas vii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CNC Comando numrico computadorizado
IC - Circuitos integrados
PZT - Atuadores piezoeltricos
VDI - Verein Deutscher Ingenieure
Lista de Smbolos viii
LISTA DE SMBOLOS
A - amplitude
d translao do ponto central do posicionador na direo Z
dA deslocamento do atuador A
dB - deslocamento do atuador B
dC deslocamento do atuador C
Dm, Dn decises
E - ambiente particular
i = variante
i
- vetor unitrio da direo X
j = critrio
j
- vetor unitrio da direo Y
k
- vetor unitrio da direo Z
l distncia dos atuadores ao centro do mecanismo
n = nmero de critrios
N - fatores externos
Owvj = valor global
P - exigncias do projeto
Ra rugosidade mdia
v - velocidade de movimento
vij = sub-valor da variante i em relao ao critrio j
vmax = valor mximo de todas as variantes
wi = peso i-simo do critrio j
Xi = valor global segundo o valor mximo
XL, YL, ZL - coordenadas do sistema de referncia
XR, YR, ZR - coordenadas do sistema absoluto
- comprimento de onda A - coeficiente de atrito 1 giro em torno do eixo X 2 giro em torno do eixo Y
Lista de Smbolos ix
- produto final - freqncia
Resumo x
RESUMO
MONTANARI, L. (1999). Tcnicas de projeto aplicadas no desenvolvimento de um microposicionador angular. 126p. Dissertao (Mestrado)
Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo.
Para se obter alto desempenho em mquinas-ferramenta de
ultrapreciso, so necessrios o desenvolvimento de sistemas de
posicionamento e o controle de movimento, os quais no raramente devem
operar com resoluo e repetibilidade na faixa submicromtrica. A utilizao
das modernas tcnicas de metodologia de projeto auxiliam no
desenvolvimento deste tipo de sistema. Neste trabalho so discutidas e
analisadas as diversas alternativas disponveis para os elementos
constituintes do sistema de posicionamento. Aspectos crticos como
cinemtica, acionamento, guias e apoios so estudados e confrontados
usando o mtodo de anlise de valor. E baseados no resultado do estudo
prvio, obtm-se um sistema hbrido para microposicionamento angular de
alta rigidez e ampla largura de banda, capaz de posicionar uma superfcie
com resoluo angular inferior a 4.10-5 graus. Atravs das tcnicas de
modelagem, pode-se verificar a funcionalidade desse sistema projetado,
quanto ao seu comportamento esttico e dinmico. Uma modelagem
cinemtica apresentada com o objetivo de auxiliar na veracidade do
projeto do posicionador angular, atravs da qual pretende-se observar a
influncia de cada ponto de apoio no posicionamento final. So
apresentados os resultados obtidos em simulaes numricas, as quais
constatam no s o prprio desempenho do posicionador, como tambm, a
validade da tcnica utilizada.
Palavras-chave: projeto; ultrapreciso; microposicionamento; atuadores;
cinemtica.
Abstract xi
ABSTRACT
MONTANARI, L. (1999). Design techniques applied to development of an angular micro-positioner. 126p. Dissertao (Mestrado) Escola de
Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo.
In order to achieve high performance in ultra-precision machine tools,
appropriate capability is required of motion control and positioning systems
which have to operate at resolutions and repeatability in the sub-micrometre
range. Machining may reach high levels of precision through the use of
suitable sensors, actuators and controllers so that the development of micro-
positioner with low backlash, high bandwidth and accuracy is a crucial aspect
of high precision machining technology. Modern design techniques can
greatly assist in the development and design of such systems. In this work,
several design options for the elements of a positioning system are
discussed and analysed. Critical aspects such as kinematics, driving and
bearings are studied and compared using the value analysis method. A
hybrid system based upon the results of this study is proposed which
combines the best characteristics of each design option. The system
possesses the capability of positioning a workpiece and/or tool angularly
and/or linearly (micro-tilt stage) with a resolution better than 4 10-5 arc degree
and high stiffness and bandwidth. Through modelling techniques, it is
possible to verify the static and dynamic behaviour of the system. A
kinematics model of the micro-tilt stage is presented in order to establish a
relationship between the displacement of the actuators and the final position
of the stage. It is anticipated that such an approach will be required in respect
of interferometric feedback control. Simulations of the model are performed
showing that the technique applied is valid and the system fulfils the
requirements for ultra-precision design.
Keywords: design; ultra-precision; micro-positioning; actuators; kinematics
Captulo 1 1
CAPTULO 1
INTRODUO
1.1 Aspectos gerais
Indstrias de alta tecnologia como as de informtica, microeletrnica,
ptica e mecnica de preciso tm procurado desenvolver constantemente
pesquisas em diversas reas como as dos materiais, de instrumentao, de
controle e fabricao, no intuito de produzir componentes e equipamentos
cada vez mais precisos e de melhor qualidade.
Um fator de grande importncia para a produo de diversos
componentes, tem sido o significativo desenvolvimento que equipamentos de
fabricao e instrumentos de medio de preciso tm alcanado nas
ltimas dcadas. TANIGUCHI (1983) analisou historicamente este
desenvolvimento e extrapolou para o futuro sua provvel tendncia. Estas
informaes foram sintetizadas em um diagrama reproduzido na FIGURA
1.1, onde so apresentados tambm diversos equipamentos de fabricao e
instrumentos de medio que atuam em diferentes graus de exatido.
Particularmente, nestes ltimos quinze anos, ocorreu nas mais diversas
reas da cincia e da tecnologia, o surgimento da nanotecnologia, onde a
grandeza fsica na qual se trabalha da ordem de 10-9 m (IKAWA et al.,
1987; TANIGUCHI, 1992 & PENTEADO, 1996). Essa busca incessante da
perfeio uma caracterstica inerente da engenharia de preciso, o que
Captulo 1 2
torna inevitvel que os equipamentos de preciso de hoje venham a se
tornar os equipamentos comuns do futuro (WATANABE, 1992).
FIGURA 1.1 O desenvolvimento da usinagem no sculo XX (TANIGUCHI,
1983)
medida que as caractersticas metrolgicas e de acabamento
superficial tornam-se mais crticas, o desempenho da mquina-ferramenta
cresce em importncia. Desta forma, quando ingressamos no campo da
mecnica de preciso, o desempenho desejado das mquinas-ferramenta
destinadas fabricao de componentes de elevada preciso de forma e
rugosidade superficial (na faixa de 10 nm Ra; como por exemplo, moldes
para lentes, discos de memria de computador, lentes e espelhos para
sistemas pticos), demandam a utilizao de mquinas com melhor preciso
de posicionamento (DOWN et al.,1991; HARA et al., 1990 & IKAWA et al.,
1991). Uma exigncia muito comum para a obteno de espelhos para
Captulo 1 3
sistemas pticos a necessidade de movimentos com resoluo de 0,01 m livres de folga, num curso aproximado de 1-2 mm para cargas entre 20 a
2000 N (LANGENBECK, 1992). Dentro das modernas tcnicas de
manufatura, existe ainda, a produo de tecnologia de circuitos integrados
(IC), que exige geometria submicromtica com resoluo de posicionamento
na ordem de 0,1 m (TAYLOR & TU, 1996).
O crescente aumento nas exigncias em relao preciso de forma
e qualidade superficial de elementos pticos e em geral, dentro da classe de
mecnica de preciso, exige-se um constante aperfeioamento no
desempenho das mquinas-ferramenta para a usinagem de ultrapreciso.
Estas mquinas, apesar de apresentarem um desempenho
excepcional com relao preciso e tambm produtividade, ainda so
desenvolvidas de acordo com os conceitos bsicos de projeto mecnico,
onde a grande diferena se encontra na preciso com que cada componente
fabricado individualmente (PURQUERIO et al., 1994).
Na fabricao de ultrapreciso, como no caso de componentes para
aplicaes em equipamentos mecnicos, pticos e eletrnicos so
necessrias mquinas que apresentam rigidez e preciso de posicionamento
que garantam a qualidade nanomtrica. Seu elevado grau de
desenvolvimento tem sido alcanado atravs de grandes esforos cientficos
e tecnolgicos, tanto no setor acadmico quanto no industrial
(SCHROETER, 1997).
Os elementos mecnicos bsicos que compem uma mquina de
ultrapreciso so os responsveis diretos pela qualidade da usinagem.
Devem apresentar elevada preciso, rigidez esttica adequada e
estabilidade dimensional, a fim de minimizar toda e qualquer fonte de erro.
Essas caractersticas podem ser obtidas atravs da concepo correta do
projeto e da definio dos materiais utilizados.
Captulo 1 4
Movimentos relativos indesejveis entre a pea e a ferramenta
provocados por erros na rvore ou nas guias, variaes no avano,
comportamento trmico da mquina, deformaes da estrutura devido ao
peso prprio ou foras de usinagem, assim como comportamento dinmico
relacionado vibraes e outros fatores, podero ter grande influncia sobre
a rugosidade, qualidade dimensional ou de forma da pea produzida
(KANIZAR et al, 1996). Devido a isto, uma mquina-ferramenta de usinagem
para ser classificada como de ultrapreciso, deve possuir caractersticas
peculiares de extrema importncia. Estas caractersticas so: elevada
rigidez, isolamento de vibraes, estabilidade trmica, preciso de
posicionamento (repetibilidade e resoluo), alto grau de retilineidade das
guias, entre outras (SCHROETER, 1997).
Desta forma, para que determinada mquina possa operar na faixa
submicromtrica, so necessrias modificaes que muitas vezes tornam
este processo altamente dispendioso, sendo ainda, economicamente
invivel.
O principal objetivo almejado para a melhoria do desempenho das
mquinas-ferramenta de preciso a gerao de deslocamentos relativos
entre ferramentas e peas o mais prximo possvel do planejado. Neste
sentido, as mquinas-ferramenta para usinagem de ultrapreciso necessitam
de sistemas de posicionamento de alta resoluo, assim como de sistemas
de correo de erros necessrios para corrigir erros provindos dos seus
elementos constituintes. Esta uma das maneiras mais direta de se
alcanar a preciso desejada, sem dispor de grandes recursos econmicos.
Os avanos em sistemas de microposicionamento surgem, na maioria
das vezes, apoiados em desenvolvimentos de sensores de posio e na
tecnologia de software de controle. O controle de posio realizado atravs
do uso de atuadores piezoeltricos, os quais possuem resoluo
extremamente fina, mas com alcance limitado. Sistemas projetados com
sensores de posio apropriados e avanadas estratgias de controle
Captulo 1 5
podem reduzir erros tpicos de movimento a um nvel abaixo de 4,5 nm
(OTSUKA, 1992). Segundo ISHIHARA (1991), atravs do desenvolvimento
da tecnologia, os motores lineares so aplicados em sistemas de
posicionamento, aumentando tambm as aplicaes em circuitos integrados.
Atuadores de movimento mais radicais como o piezoeltrico e atuadores
lineares ultrasnicos sero indubitavelmente desenvolvidos no futuro,
juntamente com a tecnologia dos microposicionadores (TOJO & SUGIHARA,
1989).
Em adio aos atuadores de movimento, o controle de
microposicionadores exigem sensores de posio de alto desempenho. Os
codificadores pticos tradicionais so tipicamente substitudos por
interfermetros a laser (STEINMERTZ, 1990).
1.2 - Justificativas
Nos ltimos anos, diversos posicionadores de alta preciso tm sido
desenvolvidos. A configurao mais tradicional consiste em dois sistemas de
posicionamento translativos montados ortogonalmente, onde cada eixo
controlado independentemente.
Com o intuito de inovar os sistemas posicionadores existentes em
mquinas e equipamentos de ultrapreciso, proporcionando movimentos
angulares com resoluo submicromtrica, este trabalho trata do projeto de
um microposicionador angular, atravs da utilizao de modernas tcnicas
de projeto, visando alcanar o desempenho otimizado num arranjo o mais
simplificado possvel.
Foi feito um levantamento bibliogrfico da teoria de Projeto,
observando suas metodologias e modelos a fim de encontrar algumas das
Captulo 1 6
possveis alternativas dos elementos constituintes de sistemas
posicionadores, com o intuito de obter xito na resoluo do problema, de
uma forma cientfica.
1.3 - Objetivos
Este trabalho tem como objetivo desenvolver um microposicionador
capaz de movimentar-se angularmente, seguindo passo a passo as tcnicas
de projeto.
Prope-se a utilizao de sistemas de microposicionamento
modulares de alta resoluo, capazes de posicionar elementos nas
mquinas com um alto grau de exatido e rapidez, auxiliando tanto no
posicionamento relativo ferramenta/pea como na compensao de erros
sistemticos presentes. Para tanto, so abordados aspectos do projeto e
construo de um sistema de microposicionamento angular de alta rigidez e
ampla largura de banda, capaz de posicionar uma superfcie com uma
resoluo angular inferior a 4.10-5 graus.
prevista a utilizao desse sistema de microposicionamento no
torno CNC (ASG 2500 Rank Pneumo do Laboratrio de Ultrapreciso da
EESC USP), como pode ser observado pelo esquema de localizao da
FIGURA 1.2.
Captulo 1 7
O desenvolvimento deste trabalho conta com o desenvolvimento de
captulos da seguinte forma.
No Captulo 2 so abordados alguns aspectos gerais sobre projeto.
So definidos conceitos, mtodos, metodologia e modelos de projeto. Dentre
eles ser escolhido o meio mais adequado para se desenvolver um
microposicionador. Dentro deste captulo, ainda so abordados aspectos
gerais relativos aos sistemas posicionadores e seus elementos constituintes.
O Captulo 3 define uma metodologia de projeto e os parmetros a
serem utilizados neste desenvolvimento, e ainda, so caracterizados
diversos princpios de funcionamento para posicionadores angulares
presentes na literatura. Dentre os vrios tipos construtivos abordados, um
levantamento das caractersticas intrnsecas de cada um permite uma
anlise tcnica detalhada da alternativa de maior viabilidade. Seguindo isso,
ser feita a tomada de deciso, a fim de obter o microposicionador mais
adequado para a tarefa.
FIGURA 1.2 - Esquema da localizao do posicionador
Captulo 1 8
No Captulo 4 apresentada uma modelagem cinemtica do
microposicionador selecionado, visando obter uma ferramenta matemtica
que permita verificar e efetivar a sua funcionalidade.
No Captulo 5 apresentada uma simulao numrica.
No Captulo 6 so apresentadas as concluses e propostas para
trabalhos futuros.
Captulo 2 9
CAPTULO 2
PROJETO E
SISTEMAS POSICIONADORES DE PRECISO REVISO DA LITERATURA
2.1 Projeto
Neste item, atravs da reviso da literatura pertinente a todo o
contexto da teoria de projeto, foi feito um levantamento da histria do projeto
em engenharia, bem como suas definies, mtodos, modelos, entre outros;
os quais podem ser perfeitamente observados a seguir.
2.1.1 A histria do projeto em engenharia
O homem, desde seus primrdios, revelou-se muito astuto nas lutas e batalhas ferozes para sobreviver. No somente dominou seus inimigos
naturais como tambm a certo ponto, dominou a prpria natureza. Isto
porque comeou a moldar e usar, de forma apropriada, os recursos que a
natureza colocava a sua disposio. Aprendeu a modificar seu meio
ambiente de forma a adequ-lo s suas necessidades e obter vantagens
Captulo 2 10
sobre outras criaturas. Desta forma, o homem tem estado, em todas as
pocas, melhorando seus meios de sobrevivncia (QUIRINO, 1996).
A engenharia, como hoje se apresenta, basicamente a resultante de
dois processos histricos que por muito tempo evoluram parte, sem
qualquer relao entre si. De um lado, o aparecimento gradual, atravs dos
sculos, de um especialista na soluo de problemas cuja ocupao era
criar dispositivos, estruturas e processos de utilidades para o homem,
melhorando seus meios de sobrevivncia. De outro, a rpida e recente
expanso dos conhecimentos cientficos.
Assim permaneceu a engenharia por muitos sculos, a acumular, pela
simples experincia, os conhecimentos necessrios soluo de seus
problemas. Com a Renascena, o nvel de aprimoramento aumentou.
Entretanto, durante o perodo de desenvolvimento da mquina a vapor, no
sculo XVIII, os criadores de mquinas e estruturas baseavam-se
principalmente de conhecimentos empricos e da sua capacidade criativa,
mas muito pouco da cincia (KRICK, 1970).
No sculo XIX, os engenheiros reconheceram as potencialidades das
novas descobertas da cincia, na soluo de inmeros problemas da
humanidade, e comearam a tirar proveito delas.
Atualmente, para a soluo dos inmeros problemas da humanidade,
aplicam-se conhecimentos mediante uma metodologia que compreende
matemtica, computao, processos grficos e outros. Para chegar ao
sistema desejado, os engenheiros utilizam um processo denominado
projeto. A importncia do projeto na engenharia foi claramente identificada e publicada por FEILDEN (1963) apud WALLACE & BURGESS (1995) e,
desde ento, vem sendo repetida por todos os pesquisadores relacionados
rea.
Captulo 2 11
2.1.2 Definies de projeto
Muitos projetistas, engenheiros e pesquisadores, atravs da
observao e experincia, expressam seus pontos de vista na definio de
projeto ou o que eles consideram ser o projeto. Alguns destes pontos de
vista so apresentados a seguir.
FEILDEN apud EVBUOMWAN et al. (1996): Projeto de engenharia faz uso
de princpios cientficos, informaes tcnicas e define uma estrutura
mecnica, mquina ou sistema para representar funes especficas com a
mxima economia e eficincia.
FINKELSTEIN & FINKELSTEIN apud EVBUOMWAN et al. (1996): Projeto
o processo criativo que comea com uma exigncia e acaba com a definio
de um sistema, utilizando um mtodo na realizao dessa definio.
LUCKMAN apud EVBUOMWAN et al. (1996): Projeto o principal passo
em direo ao controle do seu ambiente. O processo de projeto a
translao de informaes na forma de exigncias em solues potenciais,
para encontrar as caractersticas exigidas.
ARCHER apud EVBUOMWAN et al. (1996): Projeto envolve um modelo
com inteno de concretizar na presena de um passo criativo.
ASIMOW (1968); BACK (1983) e SUH (1990): Projeto de engenharia uma
atividade orientada para o atendimento das necessidades humanas,
principalmente daquelas que podem ser satisfeitas por fatores tecnolgicos
de nossa cultura.
As definies de projeto, dadas acima, refletem os vrios pontos de
vista dos autores. Em geral, certas frases e palavras-chave podem ser
comuns. Por exemplo, exigncias, solues, especificaes, criatividade,
restries, princpios cientficos, informaes tcnicas, entre outras. Fazendo
uso dessas palavras-chave, projeto pode ser descrito como:
Captulo 2 12
O processo de estabelecimento de exigncias baseadas nas
necessidades humanas, transformando as especificaes e funes
(assunto ou restries) que so mapeadas em solues de projeto (usando
criatividade, princpios cientficos e conhecimentos tcnicos) e que podem
ser economicamente produzidas (EVBUOMWAN et al. 1996).
O processo de projeto envolve a definio do problema; a aplicao
de conhecimentos e da capacidade criadora concepo de solues
alternativas; a previso do desempenho dessas solues; a tomada de
decises; a especificao da soluo escolhida e uma grande variedade de
outras atividades.
A engenharia est fortemente relacionada com projetos. O que
distingue um projeto de engenharia de outros tipos de projetos a extenso
da contribuio dos fatores tecnolgicos utilizados na sua elaborao.
2.1.3 Mtodos de projeto de engenharia
A atividade de projeto de engenharia, embora representada por
muitos sculos, praticamente no teve qualquer estrutura ou organizao.
Foi somente depois da metade deste sculo que houve uma tentativa para
dar mais formalismo ao caminho para se chegar ao projeto, atravs dos
mtodos de projeto.
O surgimento dos mtodos de projeto se deu por volta dos anos de
1950 e 1960, como um desejo de se obter projetos de um modo mais
cientfico. Os mtodos cientficos surgiram para resolver os tipos mais
urgentes de problemas, como os decorrentes da Segunda Guerra Mundial -
chegando ao controle da tcnica de tomada de deciso e ao
desenvolvimento de tcnicas criativas nos anos de 50 (CROSS, 1993 &
SUH, 1990).
Captulo 2 13
O surgimento de novos mtodos de projeto desencadeou uma srie
de conferncias nos anos de 1960 a 1980 - Londres, 1962 (Jones e
Thornley, 1963); Birmingham, 1965 (Gregory, 1966); Portsmouth, 1967
(Broadbent e Ward, 1969); Cambridge, Mass., 1969 (Moore, 1970); Londres,
1973; New York 1974 (Spillers, 1974); Berkeley, Calif., 1975, Portsmouth
novamente em 1976 (Evans et al., 1982) e mais uma vez em 1980 (Jacques
e Powel, 1981) CROSS (1993).
Os primeiros livros de mtodos ou metodologias de projeto tambm
surgiram neste perodo - ASIMOW (1962), ARCHER (1965), JONES (1970)
e BROADBENT (1973), juntos com os primeiros livros de criatividade de
projeto - GORDON (1961) e OSBORN (1963).
As metodologias de projeto foram sendo desenvolvidas ao longo dos
anos, com a inteno de ...satisfazer as necessidades de ensino em projeto,
organizao de projeto, proviso de auxlio ao trabalho dos projetistas e
automao das informaes de projeto (FINKELSTEIN & FINKELSTEIN,
1983). Todas elas sugerem um fluxo de atividades com base em etapas, que
devem ser seguidas pelo projetista para que se possa, a partir da definio
da lista de requisitos de projeto, encontrar uma soluo adequada para o
problema em estudo. De uma forma geral, todas elas procuram levantar as
demandas, estabelecer os requisitos de projeto, desenvolver o projeto
conceitual, o projeto preliminar, o projeto detalhado e, assim, chegar
soluo do problema (MARIBONDO et al., 1998).
Metodologia de projeto definida como o estudo dos princpios,
prticas e procedimentos de projeto. Segundo CROSS (1984), metodologia
de projeto, inclui ainda, o estudo do trabalho de projeto, a estabilidade das
estruturas apropriadas para o processo do projeto, o desenvolvimento e
aplicao de novos mtodos de projeto, tcnicas e procedimentos, reflexo
da natureza de aplicao e extenso do conhecimento dos problemas de
projeto.
Captulo 2 14
Existem muitos caminhos para encontrar a soluo do problema em
estudo, ou seja, uma aproximao sistemtica do projeto definitivo. Cada
projetista tem um critrio particular para esta fase, pois cada problema pode
ter seu mtodo especfico de soluo (RUFFINO, 1991).
2.1.4 Mtodos sistemticos de projeto
Todas as tcnicas desenvolvidas nesta rea de metodologia de
projeto so mtodos sistemticos para resoluo de problemas, no
somente para auxiliar na sntese de novos projetos, mas tambm para
melhorar os projetos existentes (McKEOWN, 1988). Pode-se destacar
algumas destas tcnicas desenvolvidas:
1. rvores de deciso - a partir de um problema surgem diversos
subproblemas, isto , idias para resoluo desse problema. E assim
sucessivamente at chegar soluo ideal do problema inicial
(ASIMOW, 1968).
2. Mtodo morfolgico O mtodo se baseia em uma carta morfolgica ou
matriz de projeto e somente produz efeito no estgio de apresentao de
idias alternativas. Para usar esta matriz de projeto, com este objetivo,
de fundamental importncia que o projetista tenha estabelecido suas
especificaes (RUFFINO, 1991).
3. Sinergia - o termo sinergia foi adotado para a traduo de Synectics. Este
mtodo tem-se mostrado bastante eficiente em produzir boas invenes
e aplicvel em problemas complexos e abstratos. A sinergia foi
desenvolvida como uma deliberada imitao do modo como a mente de
um indivduo trabalha quando est na sua melhor forma. O mtodo
comprime este trabalho num perodo de tempo mais curto, forando
Captulo 2 15
idias e associaes em vez de esperar que surjam espontaneamente
(BACK, 1983).
4. PABLA (Problem Analysis by Logical Approach) Este mtodo baseia-se
no preenchimento de quatro cartas, obrigando com isto o projetista a
percorrer todas as fases do processo de projeto, o que deve conferir uma
correta atitude para a sua soluo. Com isto, evita-se tambm a
tendncia do projetista de, na primeira fase do projeto, tomar o lpis e
comear a desenhar (RUFFINO, 1991).
5. Tcnica de Inteligncia Artificial a aplicao da tcnica de redes
neurais artificiais na resoluo de problemas, principalmente em projetos
de automao (SMITH & BROWNE, 1993).
6. Anlise de valor o mtodo que aplica uma anlise altamente tcnica e
lgica com o objetivo de se chegar na melhor soluo de um problema de
projeto.
7. Brainstorming - esta tcnica foi introduzida por Alex Osborn em 1939. A
tcnica baseada no princpio de associao e tem como objetivo bsico
estimular um grupo de pessoas a detectar problemas ou produzir idias e
solues para questes existentes de maneira rpida e direta (BACK,
1983).
8. Inverso - o mtodo consiste em observar um problema complexo de
uma forma diferente da tradicional, ou seja, de modo invertido. Neste
mtodo, as palavras usadas so: inverter de posio, inverter os
movimentos, de dentro para fora, de modo a obter outras idias (BACK,
1983).
9. Analogia - solues de problemas so sugeridas muitas vezes a partir de
situaes anlogas e encontradas na natureza e mesmo na literatura
(BACK, 1983).
Captulo 2 16
10. Tcnica da caixa preta - consiste na anlise de um sistema que tenha
uma certa entrada e que se requer uma determinada sada, como pode
ser observado na FIGURA 2.1. Supe-se que no se conhea o
mecanismo que efetua esta operao, mas podem-se desenvolver
subsistemas e componentes (BACK, 1983). Trabalhando a partir dos
extremos para o meio da caixa, o problema inicial pode ser redefinido,
como mostra a FIGURA 2.2.
CAIXAPRETAentrada sada desejada
(a) (b) sadaentrada
11. Fantasia consiste em imaginar solues que adotam coisas irreais ou
processos sobrenaturais (BACK, 1983).
12. Empatia significa identificar-se pessoalmente ou sentir por outro. Esta
tcnica freqentemente usada em relaes humanas e significa
colocar-se no lugar de outra pessoa. O termo tambm pode ser adotado
no ato de identificar-se com coisas, partes ou processos que se pretende
desenvolver ou projetar (BACK, 1983).
Sem dvida existem vantagens e desvantagens em cada uma destas
tcnicas, mas pode-se dizer que, de uma forma geral, elas ajudam os
FIGURA 2.1 Representao de um sistema
FIGURA 2.2 Decomposio da caixa preta
Captulo 2 17
projetistas a tomar as melhores decises em todos os estgios do processo
de projeto, envolvendo assim, todas as causas. Esses mtodos exigem que
muitos projetistas tomem parte simultnea no processo de projeto e
asseguram a responsabilidade tanto na recuperao quanto na produo de
projeto. Um possvel perigo atravs do uso de metodologia de projeto que,
se no tratado cuidadosamente, pode sufocar a intuio e a criatividade.
A tcnica de anlise de valor , provavelmente, o desenvolvimento
mais importante nesta categoria, por ser uma anlise extremamente tcnica
e lgica. Qualquer projeto que no for submetido a uma anlise de valor
apresenta baixo nvel de qualidade (McKEOWN, 1988). A principal funo da
aplicao da tcnica de anlise de valor analisar um projeto
detalhadamente e fazer as mudanas convenientes que resultam em grande
eficincia. Essa anlise pode ser realizada atravs da aplicao de conceitos
matemticos.
Neste trabalho, prope-se a definio de uma metodologia de projeto
para sistemas de microposicionamento de alta resoluo. Viu-se a
necessidade de se aplicar uma anlise tcnica e lgica para obteno do
microposicionador angular com a melhor funcionalidade e desempenho
dinmico possvel. Este posicionador deve ser capaz de posicionar
elementos nas mquinas com alto grau de exatido e rapidez, auxiliando
tanto no posicionamento relativo ferramenta/pea como na compensao de
erros sistemticos presentes no sistema dinmico, atenuando distrbios
presentes no processo de corte (MONTANARI et al., 1998). Trata-se,
portanto, de um sistema complexo que engloba vrios parmetros tcnicos.
De acordo com a literatura, so caracterizados diversos princpios de
funcionamento para microposicionador angular. Dentre os vrios tipos
construtivos em estudo, um levantamento das caractersticas intrnsecas de
cada um permite uma anlise tcnica detalhada da alternativa de maior
viabilidade.
Captulo 2 18
Como forma de auxiliar na tomada de deciso, ser utilizado o
mtodo de anlise de valor, j que esta tcnica oferece os recursos
fundamentais para se obter com sucesso a resoluo do problema. Aspectos
como cinemtica, acionamento, guias e apoios so estudados e
confrontados.
2.1.5 Morfologia do processo de projeto
O projeto de um componente ou de um sistema apresenta, em cada
caso, caractersticas e peculiaridades prprias. medida que um projeto
iniciado e desenvolvido, desdobra-se uma seqncia de eventos em ordem
cronolgica, formando um modelo que sempre ser comum a todos os
projetos (ASIMOW, 1968). Estes eventos de projeto so, de forma geral,
distintos e devem ser seqenciados e encaixados de modo a transformar
recursos em objetos teis.
Os modelos de projeto so representaes de filosofias ou
estratgias, propostas para mostrar como pode ser feito o projeto. De acordo
com os pontos de vista filosficos, existem duas classes principais de
modelos de projeto, chamadas modelos descritivos e modelos prescritivos.
Os modelos prescritivos tendem a olhar o projeto atravs de uma
perspectiva global, adotando um procedimento e seguindo-o passo a passo.
Os modelos descritivos envolvem as aes e as atividades dos projetistas
durante a execuo do projeto (EVBUOMWAN et al., 1996).
Mais recentemente, outros grupos de modelos conhecidos como
modelos computacionais tm comeado a despontar. Esses modelos usam
tcnicas computacionais numricas e qualitativas e tcnicas de inteligncia
artificial.
Captulo 2 19
Considerando o projeto de um microposicionador angular para
mecnica de preciso, ser adotado o modelo prescritivo. Esta escolha
justificada pelo fato desse modelo analisar o problema apresentado de uma
forma global e apresentar um algoritmo sistemtico para a elaborao do
projeto, onde todo o procedimento a ser seguido especificado passo a
passo antes de se iniciar a execuo do processo de projeto. Enquanto no
modelo descritivo, como comentado, so tomadas atitudes durante a
execuo do processo de projeto. Ainda no h a necessidade de utilizar
recursos dispendiosos, tais como nos modelos computacionais, onde neste
caso, so utilizados computadores mais avanados, software, programas de
clculos, etc.
2.1.6 Modelos prescritivos
Esses modelos, em geral, tendem a prescrever o processo de projeto
de uma forma global, sugerindo o melhor caminho para a sua execuo.
Eles usualmente oferecem um algoritmo sistemtico para proceder na
execuo do projeto, atravs de uma metodologia particular.
A seguir so apresentados alguns modelos prescritivos, com suas
principais caractersticas. Dentre estes, ser escolhido o modelo que mais se
adequa realizao do projeto do microposicionador angular proposto.
Modelo de J. C. Jones
O modelo de Jones constitudo basicamente por trs estgios:
anlise, sntese e evoluo do problema. O primeiro estgio engloba a
descrio de todos e quaisquer fatores relacionados ao problema. No
Captulo 2 20
segundo estgio, so usadas tcnicas de criatividade, como por exemplo
brainstorming, para gerar idias e solues das especificaes. Fazendo
uma iterao entre as idias surgidas no processo criativo e os fatores
relacionados ao problema do primeiro estgio, surge uma combinao
parcial das solues compatveis. No ltimo estgio do modelo, so
envolvidas atividades de operao e manufatura do produto, alm da
deteco de erros que possam ser corrigidos (JONES, 1970). Esse modelo
destaca a necessidade de estabelecer especificaes como soluo do
problema proposto, atravs de iteraes entre os fatores de projeto.
Modelo de Asimow
ASIMOW (1968) exibe o processo de projeto em sete fases, sendo as
trs primeiras fases primrias e as ltimas fases relacionadas com o ciclo de
produto-consumo. Neste trabalho dado enfoque apenas s trs primeiras
fases, pois a partir da que inicia-se o processo de projeto. As trs fases
representadas so: estudo da exeqibilidade do projeto, projeto preliminar e
projeto detalhado.
1. Estudo da exeqibilidade do projeto: tem como objetivo reunir um
conjunto de solues teis para os problemas do projeto. So geradas
solues plausveis e, essas solues, so analisadas a fim de se obter a
realizao fsica, econmica e financeira do produto.
2. Projeto preliminar: a meta do projeto preliminar estabelecer qual das
alternativas propostas apresenta a melhor concepo para o projeto. Os
aspectos crticos do projeto devem ser verificados com a finalidade de se
validar sua concepo e de se fornecerem as informaes essenciais
para a fase posterior.
Captulo 2 21
3. Projeto detalhado: fornece as descries de engenharia do projeto
verificado. Os sub-sistemas, componentes e partes do produto so
completamente projetados e, juntamente com isso, so preparados seus
respectivos desenhos.
O processo de projeto, assim como discutido por Asimow, dividido
em vrios passos dentro das trs fase de projeto, tais como, anlise, sntese,
evoluo, deciso, otimizao e reviso (ASIMOW, 1968). Este um dos
seus aspectos mais importantes.
Modelo de Pahl e Beitz
Pahl e Beitz apresentam seu modelo de projeto em quatro fases: (a)
esclarecimento do assunto; (b) projeto conceitual; (c) prottipo e (d) projeto
detalhado. A primeira fase envolve a coleta de todas as informaes sobre a
soluo do problema. A segunda fase envolve a pesquisa dos princpios de
solues e uma combinao dos conceitos variantes. Na fase de construo
do prottipo, o projetista determina o layout e desenvolve um mtodo para
construo de um prottipo, de acordo com as consideraes tcnicas e
econmicas. Na ltima fase, so colocadas todas as dimenses,
propriedades superficiais e de forma para todas as partes individuais, os
materiais so especificados, os desenhos e outros documentos so
produzidos (PAHL & BEITZ, 1996).
Modelo de Watts
Watts representa o processo de projeto por um modelo icnico e
apresenta sua relao dinmica com o meio ambiente. O processo de
Captulo 2 22
projeto consiste de trs estgios: anlise, sntese e evoluo, como tambm
proposto por Jones. Pode-se observar atravs da FIGURA 2.3 que o
processo de projeto segundo Watts tem um desempenho cclico, ou seja, sai
de um nvel inferior (abstrato) para um nvel superior (concreto),
representando as fases do projeto. No decorrer desse caminho (do abstrato
ao concreto), o projetista vai tomando decises e reiterando o processo de
projeto, formando a estrutura vertical do cilindro (Dm, Dn, etc.). O processo
pode ser considerado completo quando o projetista consegue combinar as
exigncias do projeto (P) com um ambiente particular (E), de forma a ter
como produto final um artefato , isto , o projeto final sob a influncia de todos os fatores externos (N), necessrios para o sucesso desse projeto.
Esses fatores externos podem ser dados pela reputao do projetista e por
outros efeitos do meio scio-econmico.
Evolu
o Sntese
Anlise
Deciso
Concreto
Abstrato
(E)
N
DDm
Dn
( )
P
FIGURA 2.3 Modelo de Watts (EVBUOMWAN et al., 1996).
Modelo de Marples
Este modelo representa uma forma para resumir o processo de
projeto como um resultado de estudo de caso. Este estudo de caso
mostrado de forma ilustrativa, como uma seqncia de decises. Assim,
inicia-se com o problema de uma forma geral e termina-o com uma proposta
Captulo 2 23
de melhor soluo, de acordo com as exigncias e especificaes
previamente estabelecidas. Isso representado pela rvore de Marples,
mostrada na FIGURA 2.4.
O
2 111 2 11 2
2 1 2 1 1 2 2 2 11 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2
2 2 2 2 2 1
2 2 3 12 2 2 1 2 2 2 2
2 2 2
2 2 1
2 2 2 31 1 1 2
1 1 1 2 1 12 1 2
2 1 2 12 2 1 1
2 2 3
2 3 1
2 3 1 1
3 1 3 2 3 3
3 3 2 13 3 11
3 3 1 3 3 23 2 1
3 2 11
2 3 2
pp
p p 2 1p p p
ppp p
p
p
p
p p
p p
p
p
a aa
a
a
aa a a
aa
a a
a
aa
a1
2
3
a = A lt e r n a t i v ap = S u b - p r o b l e m aS o l u o r e je i t a d aS o l u o a c e i t a
FIGURA 2.4 Modelo de Marples (EVBUOMWAN et al., 1996).
Para um determinado n, so derivados sub-problemas como sendo
uma possvel soluo para o problema inicial. Dentre esses sub-problemas,
faz-se a melhor escolha at surgir a resposta final para a resoluo do
problema, como pode ser observado na FIGURA 2.4.
O modelo de Marples envolve trs fases principais: sntese, evoluo
e deciso. Na fase de sntese, so envolvidas duas atividades, as quais so
a pesquisa para as possveis solues e o estudo detalhado dessas
solues propostas. A segunda fase a evoluo das solues viveis
segundo certos critrios adotados. A fase da deciso feita diante da
escolha de uma soluo particular.
Modelo de Archer
Captulo 2 24
Em seu modelo, Archer define a metodologia de projeto em seis
estgios:
1. Programao: estabelece o problema e a proposta de ao;
2. Coleta de dados: coleta e classifica os dados;
3. Anlise: identifica os sub-problemas, prepara as especificaes do
projeto, reconsidera e estima o programa proposto;
4. Sntese: prepara as propostas do projeto;
5. Desenvolvimento: desenvolve o prottipo de projeto, prepara e executa
os estudos de validao;
6. Comunicao: prepara os documentos para a manufatura.
Estes seis estgios podem ser agrupados e classificados em trs
fases: analtica, criativa e executiva, como mostra a FIGURA 2.5. Na
descrio de seu modelo, Archer comenta que: ...as caractersticas
especiais do processo de projeto so dadas pela fase analtica, que requer a
observao dos objetivos e raciocnio indutivo, e pela fase criativa que
envolve o julgamento subjetivo e o raciocnio dedutivo. As decises cruciais
j foram tomadas, ento o processo de projeto continua com a execuo de
desenhos, esquemas etc..
Programao
Coletade dados
Anlise
Sntese
Desenvolvimento
ComunicaoSoluo
ExperinciaFase
analtica
Fasecriativa
Faseexcecutiva
Instrues
Treinamento
Programao
Coletade dados
Anlise
Sntese
Desenvolvimento
Comunicao
ObservaoRaciocnio indutivo
EvoluoJulgamento
Raciocnio dedutivoDeciso
DescrioTransmisso
( a ) ( b )
FIGURA 2.5 Modelo de Archer (EVBUOMWAN et al., 1996)
Captulo 2 25
Modelo de Krick
Em seu modelo, Krick descreve o processo de projeto em cinco
estgios: formulao, anlise, pesquisa, deciso e especificao do
problema. O primeiro passo envolve a definio clara do problema a ser
resolvido. O segundo passo envolve a anlise do problema chegando a uma
definio detalhada das especificaes, restries e critrios. No terceiro
passo, feita a pesquisa para gerar as solues alternativas, usando
criatividade e pesquisa. O estgio de deciso envolve a evoluo e
comparao das solues alternativas at encontrar a melhor soluo.
Finalmente, o quinto passo, envolve uma documentao detalhada da
escolha de projeto com desenhos tcnicos, artigos e um possvel modelo
icnico (KRICK, 1970). Um esquema do modelo de Krick pode ser
observado na FIGURA 2.6.
Anlise do problema
Formulao do problema
Procura das solues
Deciso
Especificao
FIGURA 2.6 - Modelo de Krick
Captulo 2 26
Modelo de Nigel Cross
Cross expressa o processo de projeto em seis estgios, atravs de
um modelo problema/soluo de uma forma simtrica. Os seis estgios so:
esclarecimento dos objetivos, estabelecimento das funes, especificao
do projeto, gerao das alternativas, evoluo das alternativas e detalhes de
projeto, como mostra a FIGURA 2.7. Para cada estgio aplicado um
mtodo de soluo. No primeiro estgio, o mtodo rvore usado para
esclarecer os objetivos e sub-objetivos e a relao entre eles. O mtodo de
anlise de funo ento usado para estabelecer a funo requerida e os
limites de sistemas. O terceiro estgio envolve um conjunto de exigncias,
onde so feitas certas especificaes usando o mtodo de especificaes de
desempenho. O mtodo morfolgico usado no quarto estgio para gerar
todas as solues alternativas do projeto. No quinto estgio, h uma
evoluo das alternativas de projeto usando o mtodo de anlise de valor
para comparar a utilidade de valores das propostas alternativas do projeto. O
sexto estgio envolve o estabelecimento dos detalhes de projeto usando o
mtodo de engenharia de valor a fim de aumentar ou manter o valor final do
produto, reduzindo seu custo de produo (CROSS, 1994).
Problema Soluo
Sub-problemas Sub-solues
Esclarecimentodos objetivos
Estabelecimentodas funes
Especificaesdo projeto
Detalhesdo projeto
Evoluodas alternativas
Geraodas alternativas
FIGURA 2.7 Modelo de Nigel Cross
Captulo 2 27
Modelo de Hubka
O modelo de Hubka representa o processo de projeto em quatro fases
e seis passos (EVBUOMWAN et al., 1996). Essas fases e passos so:
Fase 1: Elaborao de um determinado problema
Passo 1: elaborar ou esclarecer determinadas especificaes
Fase 2: Projeto conceitual
Passo 2: estabelecer a estrutura funcional
Passo 3: estabelecer o conceito
Fase 3: Esboo
Passo 4: estabelecer um layout preliminar
Passo 5: estabelecer um layout dimensional
Fase 4: Elaborao
Passo 6: elaborao e detalhamento do projeto
Modelo de French
Este modelo, como mostra a FIGURA 2.8, baseado nas seguintes
atividades de projeto:
1. Fase da anlise do problema - envolve a identificao das necessidades
a serem satisfeitas.
2. Fase de projeto conceitual - envolve a gerao de vrias solues na
forma de esquemas.
3. Fase de construo de prottipos dos esquemas propostos - envolve o
desenvolvimento de prottipos.
4. Fase de detalhamento - o esquema escolhido trabalhado em detalhes
finais.
Captulo 2 28
Desenhos, etc
Seleode esquemas
Especificaodo problema
Necessidade
Anlisedo Problema
Projetoconceitual
Incorporaodos esquemas
Detalhamento
Feed
back
FIGURA 2.8 Modelo de French (EVBUOMWAN et al., 1996)
Modelo de Back
Segundo o modelo de Back, o processo de projeto passa diretamente
por oito fases: estudo da viabilidade, projeto preliminar, projeto detalhado,
reviso e testes, planejamento da produo, planejamento do mercado,
planejamento do consumo, planejamento da obsolescncia, sendo que
somente as quatro primeiras fases so de interesse para esse estudo. A
primeira fase tem como objetivo a elaborao de um conjunto de solues
teis para o projeto, explorando os problemas gerados pelas necessidades e
Captulo 2 29
identificando seus elementos, tais como parmetros, limitaes e critrios
importantes. Essas solues so filtradas ou separadas atravs da
viabilidade fsica, econmica e financeira. O objetivo da segunda fase
estabelecer qual das alternativas propostas apresenta a melhor concepo
para o projeto. A terceira fase fornece as descries de engenharia de um
projeto verificado atravs do projeto detalhado ou das especificaes dos
componentes. Na quarta fase, so feitas constantes verificaes e testes
experimentais, principalmente de solues ou componentes cujo
desempenho ainda desconhecido. So construdos modelos experimentais
para verificar formulaes ainda no testadas (BACK, 1970).
Modelo VDI 2221
Esse modelo foi proposto por um grupo de pesquisadores alemes,
Verein Deutscher Ingenieure (VDI), Aproximao sistemtica do projeto de
sistemas tcnicos e produtos. O modelo VDI descreve o processo de projeto
em sete estgios, como mostra a FIGURA 2.9. Esses estgios envolvem:
1. Esclarecimento e definio do problema de projeto;
2. Verificao das funes e de suas estruturas;
3. Pesquisa dos princpios de solues para todas sub-funes e de suas
estruturas;
4. A diviso da soluo em mdulos realizveis;
5. Configuraes dos mdulos principais;
6. Configurao do produto total;
7. Fixao das informaes de execuo e de uso.
Captulo 2 30
Estgios ResultadosPassos
Lista de requisitos
Estrutura de funes
Soluo inicial
Estrutura modular
Projeto preliminar
Projeto detalhado
Documentao do produto
Esclarecer formulao do projeto
Verificao das funes e desuas estruturas
Pesquisa dos princpios desolues e de suas estruturas
Estruturao em mdulos
Configurao dos mdulos principais
Configurao do produto total
Fixao das informaes deexecuo e de uso
Tarefa
Produto
1
2
3
4
5
6
7
FIGURA 2.9 Modelo VDI 2221 (MARIBONDO et al., 1998)
2.1.7 Uma avaliao crtica dos modelos prescritivos
Atravs de uma reviso mais profunda dos modelos prescritivos dos
processos de projeto, nota-se que a maioria deles baseia-se em passos que
podem ser considerados como atividades de projeto (anlise, sntese,
Captulo 2 31
evoluo, decises, modelagem, etc.), enquanto outros modelos tomam
como base fases/estgios de projeto (projeto conceitual, construo de
prottipos e projeto detalhado).
Os modelos baseados nas fases/estgios do processo de projeto,
incluem Asimow, Pahl e Beitz, Watts, Hubka, French, Back e VDI 2221. Com
a exceo de French e VDI 2221, os outros modelos contm uma forma
mais detalhada para cada uma das fases/estgios. No modelo de Watts,
observam-se somente duas fases do projeto, isto , a abstrata e a concreta,
com um intervalo entre elas representado por um processo cclico (iterativo,
refinado e progressivo).
Os modelos de Pahl e Beitz e VDI 2221 abordam os temas de projeto
de produtos modulares e modularidade em produtos industriais. Entretanto,
seus conceitos ainda no esto totalmente uniformizados e suas
sistemticas no esto bem documentadas. Desta forma, essas
metodologias no deixam claro quais os possveis caminhos a serem
percorridos pelos projetistas, a fim de desenvolver uma famlia de produtos,
a partir da combinao de um grupo de componentes bsicos
(MARIBONDO, 1998).
Os modelos baseados nas atividades de projeto, incluem Jones,
Marples, Archer, Krick e Cross. Pode ser observado em todos os modelos
trs caractersticas predominantes, isto , anlise, sntese e evoluo. Na
maioria dos casos, a anlise utilizada para analisar o problema de projeto,
suas exigncias e especificaes. A sntese refere-se s idias geradas,
propondo solues para os problemas de projeto e avaliando essas solues
de acordo com as exigncias e especificaes do projeto, associados a
certos critrios definidos. No modelo de Krick, o estgio de sntese foi
substituda pela pesquisa e o estgio da evoluo pela deciso.
As atividades de anlise, sntese e evoluo representam a parte
central do processo de projeto. Se o problema no for analisado
corretamente, de acordo com as suas exigncias, poder haver dificuldades
Captulo 2 32
na procura de solues ou surgir solues imprprias como resoluo do
problema. No entanto, criando solues plausveis para o problema, existe a
necessidade de evoluo, como o teste que assegura a fidelidade das
exigncias e especificaes originais em conjunto aos critrios adotados.
Alm destas trs atividades, existem outras que podem tambm ser
necessrias durante o processo de projeto. So elas: otimizao, reviso,
coleta de dados, documentao, comunicao, seleo, tomada de deciso,
modelagem, etc. Algumas dessas atividades foram includas em vrios
modelos.
De acordo com as caractersticas predominantes dos modelos
especificados anteriormente e atravs de uma avaliao crtica para o
projeto de um microposicionador angular para mecnica de preciso, como
proposto neste trabalho, ser utilizado o modelo de Krick. Esta escolha
justificada pelo fato do projeto deste microposicionador angular exigir um
profundo estudo das caractersticas intrnsecas dos vrios tipos construtivos,
provenientes de uma pesquisa bibliogrfica ou atravs de observaes de
mecanismos j existentes em mquinas ou equipamentos de preciso.
Justifica-se ainda, a escolha pelo modelo de Krick, quando a evoluo
substituda pela deciso pois, neste caso, pode-se usar o mtodo de anlise
de valor (discutido no item 2.1.4), onde os componentes de preciso exigem
um alto nvel de qualidade. Para o projeto do microposicionador, tem-se o
objetivo de alcanar preciso nanomtrica.
Aps a escolha dos componentes do microposicionador angular, ser
feita uma modelagem cinemtica de seus mecanismos, com o intuito de
verificar sua funcionalidade, de acordo com as exigncias do projeto.
Captulo 2 33
2.1.8 Um estudo mais profundo do modelo de Krick
Diante do exposto, ser feita uma explanao sobre o modelo de
Krick, com o objetivo de explicar os estgios comentados em seu modelo,
disseminando seus fundamentos e desenvolvendo o processo de projeto.
O primeiro passo no sentido de resolver qualquer problema de projeto
de engenharia a definio desse problema, sendo necessrio identificar as
suas caractersticas mais relevantes. As solues alternativas no sero
todas igualmente convenientes. Portanto, tero que ser comparadas entre si.
Por um processo de eliminao, baseando-se num critrio dado, aparecer
no fim uma soluo adequada.
O processo geral recomendado para a soluo dos problemas de
engenharia, segundo KRICK (1970), pode ser observado na FIGURA 2.10 e
compreende as seguintes fases:
Fase da formulao - o problema definido em termos relativamente amplos e genricos.
Fase da anlise - o problema passa a ser definido em termos relativamente pormenorizados. Compreende a coleta, o exame, o
processamento e a seleo de informaes, com intuito de determinar
as caractersticas especficas do problema.
Fase da procura das solues alternativas busca-se solues por meio de criatividade, consultas etc.
Fase da deciso - as solues alternativas so avaliadas, comparadas e eliminadas at, dentre elas, surgir a melhor.
Fase da especificao - resulta na descrio completa das caractersticas fsicas e no desempenho da soluo escolhida.
Captulo 2 34
Processosolucionador
Anlise do problema
Formulao do problema
Procura das solues
Deciso
Especificao
Identificaodo problema a
resolver
Soluocompletamente
especificada
FIGURA 2.10 Modelo de Krick
2.1.8.1 Formulao do problema
Os objetivos da fase de formulao so: identificar o problema em
termos gerais e verificar se ele merece soluo. A formulao uma viso
ampla do problema, onde o problema definido de uma maneira geral,
isento de mincias. Ela pode ser dada atravs de algumas idias ou
anotaes rascunhadas. Um problema pode ser satisfatoriamente formulado
por palavras ou diagramas.
2.1.8.2 Anlise do problema
Captulo 2 35
Para resolver um problema satisfatoriamente necessrio melhor conhecimento de suas entradas e sadas, isto , o que se tem e o que se
deseja obter. Este um dos principais objetivos da anlise do problema.
Nesta fase, determinam-se todas as caractersticas relevantes, quantitativas
e qualitativas, dos estados de entrada e sada do problema.
So poucas as caractersticas, tanto das entradas como das sadas,
que se mantm inalterveis. Por isso, para resolver satisfatoriamente um
problema, h a necessidade de se obterem informaes fidedignas sobre as
provveis flutuaes das entradas e sadas.
Um outro objetivo importante da anlise a determinao das
condicionantes impostas ao problema. Os critrios a serem aplicados na
escolha da melhor soluo devero ser estabelecidos durante a fase da
anlise do problema.
Os tipos de solues consideradas na fase da procura das
alternativas dependem da importncia atribuda aos critrios. Portanto, estes
devero ser fixados antes de passar fase mencionada a seguir.
2.1.8.3 Procura de solues
O objetivo desta fase descobrir as solues possveis para o
problema. Neste caso, raramente tem-se como resultado um conjunto de
solues completas e mutuamente exclusivas. Pelo contrrio, provvel que
os resultados consistam essencialmente de solues parciais relativas a
somente alguns dos estgios ou das variveis que a soluo completa
finalmente comportar.
Na busca de solues para determinados problemas, dever-se-o
experimentar alternativas em todas as reas que ofeream perspectivas de
conter a soluo tima. Porm, existem medidas cautelosas a serem
Captulo 2 36
tomadas, evitando uma procura feita a esmo. Trs dos meios de reduzir o
carter aleatrio dessa busca so: (1) tomar como base o volume de
produo, a utilizao e os critrios; (2) sistematizar decisivamente a
procura; (3) utilizar certos processos matemticos e grficos que facilitem a
localizao da soluo tima (KRICK, 1970).
A utilizao, o volume da produo e os critrios relativos ao
problema servem, at certo ponto, para orientar na localizao geral das
reas que mais provavelmente possam conter a soluo tima.
Outro meio de tornar o processo menos aleatrio a adoo de
medidas que sistematizem diretamente a procura. Isto se torna possvel
principalmente pela organizao das idias, indagaes e pesquisas, de
modo a levar em considerao grande variedade de solues
essencialmente diversas.
Um terceiro meio de orientar a procura no espao de solues
consiste em processos matemticos e grficos que auxiliam
quantitativamente a localizao da soluo tima.
Das inmeras solues possveis para qualquer problema, se
algumas so relativamente complexas, outras so admiravelmente simples,
mas nem por isso menos eficazes. Como regra geral, as idias simples
tendem a ser as mais econmicas de produzir, de usar e, tambm, aquelas
cujo funcionamento inspira maior confiana.
Captulo 2 37
2.1.8.4 Tomada de deciso
No processo do projeto, aps o levantamento de todas alternativas
possveis, procede-se a fase de tomada de deciso.
Nesta fase, tomar uma deciso significa assumir um compromisso
direto com o projeto. Nesta oportunidade todos os fatores devero ser
ponderados. A deciso correta ser aquela que melhor pondere as variveis
otimizando o valor total (RUFFINO, 1991).
Existem teorias que apresentam a metodologia para se atingir o
compromisso otimizado (NUTT, 1998). Os mtodos de otimizao, o estudo
das probabilidades, os clculos estatsticos e a anlise de valores so
aplicveis nesta oportunidade. Por estes caminhos ter-se- a soluo
objetiva (RUFFINO, 1991).
Por outro lado, muitas vezes, a soluo provm de fatores humanos,
no quantitativos, e a complexidade aumenta. Isto considerando que a
soluo final ser composta pela soluo objetiva e pela soluo subjetiva
(NARUTAKI et al., 1996).
Em qualquer processo de deciso necessrio ter as metas bem
definidas o objetivo deve ser claro. A funo produto ou funo resultado
pode ser um simples item ou uma combinao ponderada de vrios itens
(PAHL &BEITZ, 1996).
Segundo KRICK (1970), os conhecimentos e mtodos especializados
a empregar dependem da natureza do problema, da complexidade e da
variedade das alternativas, da importncia relativa da deciso e de muitas
outras circunstncias. Os processos de deciso variam desde os mais
elaborados e exaustivos, que requerem medidas, pesquisas, previses e
comparaes de custos, at o julgamento rpido, simples e informal. Embora
as caractersticas especficas possam variar de situao para situao,
Captulo 2 38
quase sempre as quatro etapas abaixo devero ser obedecidas para chegar-
se a uma deciso consciente: (1) escolher o critrio; (2) prever a eficcia das
solues alternativas; (3) comparar a eficcia prevista para as alternativas; e
(4) proceder escolha da soluo.
1. Escolha dos critrios - Os critrios estabelecidos, pelo menos em seus termos gerais, como parte da anlise do problema, constituem a base
para a escolha da soluo mais conveniente.
2. Previso do desempenho - de grande importncia a previso satisfatria da maneira pela qual as solues alternativas, se adotadas,
comportar-se-iam com relao aos critrios estabelecidos.
3. Comparao das alternativas - Para permitir uma escolha consciente, o desempenho das alternativas dever ser comparado pelo critrio
adotado.
4. Funo de otimizao - A otimizao compreende a procura das solues e a tomada de deciso. A anlise de valor um importante
caminho para encontrar um bom projeto.
Dentre todas as alternativas possveis para o processo de tomada de
deciso, ser utilizada neste trabalho, a tcnica de anlise de valor, descrita
no item 2.1.4. De acordo com um conjunto de princpios tcnicos,
estabelecidos durante a fase de formulao, anlise do problema e procura
de solues capazes de satisfazer a funo global de posicionamento e suas
sub-funes, atravs de uma avaliao, ser escolhida a melhor variante
(soluo) para cada uma das funes exigidas na tarefa de posicionamento.
Para isso ser empregado o mtodo de combinao de variantes de
princpios tcnicos.
Captulo 2 39
Mtodo de combinao de variantes
O mtodo de combinao de variantes consiste na combinao de
princpios tcnicos, capazes de realizar a funo global e suas sub-funes,
de acordo com os parmetros de projeto (TAVARES, 1995).
Funo global uma funo que rene todas as demais funes (sub-
funes) que um produto possa ter (PAHL & BEITZ, 1996).
A funo global do microposicionador posicionar a pea/ferramenta
com preciso e resoluo, com deslocamentos nas direes x, y e z. Esta
funo subdivide-se em diversas sub-funes necessrias execuo do
posicionamento.
O prximo passo avaliar cada uma das combinaes das variantes
tcnicas agrupadas segundo uma sub-funo em comum, submetendo estas
combinaes a critrios de avaliao.
Os critrios de avaliao tm como objetivo determinar
seqencialmente as variantes de princpios tcnicos que satisfazem
determinadas sub-funes, arbitrando valores absolutos para as variantes e
para os critrios. Os valores so expressos por pontos. Como resultado,
obtm-se uma variante tima ou uma ordem de preferncias hierrquicas de
variantes (PAHL & BEITZ, 1996).
Segundo HNHE (1990b), a FIGURA 2.11 esquematiza a seqncia
de passos envolvidos no mtodo de avaliao de variantes tcnicas.
Captulo 2 40
Nmero de variantes
Coletar as variantes
Determinar critrios
Determinar fatoresde influncia
Determinar valores paravariantes e critrios
Calcular avaliao total
Decidir
Variante tima
Tendo sido determinados os sub-valores para todas as variantes, o
valor global pode ser calculado. Assim, o valor global de uma variante j pode
ser determinada segundo a equao 2.1:
n
1i
n
1i ijwvijviwjOwv (2.1)
onde: Owvj = valor global
FIGURA 2.11 Passos da avaliao das variantes
Captulo 2 41
vij = sub-valor da variante i em relao ao critrio j
wi = peso i-simo do critrio j
i = variante
j = critrio
n = nmero de critrios
A equao 2.1 mostra que o valor global de uma variante j pode ser
determinado atravs do somatrio dos n pesos dos critrios de projeto,
especificados de acordo com as suas exigncias (rigidez, preciso, etc. do
posicionador), multiplicado pelo sub-valor das variantes do projeto
(acionamento, transmisses, etc.) em relao ao peso especfico dos
critrios.
Se uma comparao relativa das variantes for considerada
insuficiente, ento o valor global refere-se a um valor ideal imaginrio que
resulta segundo o valor mximo atribudo aos critrios, como mostra a
equao 2.2 (PAHL & BEITZ, 1996 & HHNE, 1990b). Isto , determina-se
o valor global como na equao 2.1 e divide-se o produto pelo valor mximo
atribudo e somatrio dos valores destes critrios.
Quando se determina o valor global deste modo, calcula-se o valor
mnimo que cada variante pode obter dentro das exigncias de projeto.
Desta forma, tem-se que:
n1i iwmaxv
n
1i ijviw
n
1i iwmaxv
jOwv
iX (2.2)
onde: Xi = valor global segundo o valor mximo
vmax = valor mximo de todas as variantes
Captulo 2 42
Como forma de melhor entendimento, a TABELA 2.1 ilustra todo o
processo de atribuio e anlise de valores, chegando-se ao valor global.
Variantes
variante
(v1)
variante
(v2)
variante
(vj)
no de
critrios
peso de
importncia
sub-valor peso do
sub-valor
sub-valor peso do
sub-valor
sub-valor peso do
sub-valor
n1 w1 v11 w1v11 v12 w1v12 v1j w1v1j
n2 w2 v21 w2v21 v22 w2v22 v2j w2v2j
ni wi vi1 wivi1 vi2 wivi2 vij wivij
n wn vn1 wnvn1 vn2 wnvn2 vnj wnvnj
n
iiw
1
Ov1 Owv1 Ov2 Owv2 Ovj Owvj
2.1.8.5 Especificao da soluo
Depois de ter escolhido uma soluo, as suas caractersticas fsicas e
de desempenho devero ser especificadas com todos os pormenores
necessrios para que outras pessoas possam entender satisfatoriamente. O
TABELA 2.1 Determinao do valor global (HNHE, 1990b)
Captulo 2 43
fato de que geralmente no o projetista que constri, opera ou mantm a
sua criao, torna imperativo que ele documente cuidadosamente e
comunique eficientemente a soluo que prope (KRICK, 1970).
Um dos meios utilizados para comunicar as especificaes consiste
em um conjunto de desenhos do dispositivo, estrutura ou processo proposto.
Outro meio de transmitir especificaes atravs de um relatrio tcnico,
que entre outras coisas, descreve a necessidade da soluo proposta, a
prpria soluo e sua justificativa. Um possvel terceiro meio de
comunicao seria um modelo icnico tridimensional da proposta.
2.1.9 Concluso
Ao iniciar-se um projeto, sabe-se relativamente pouco quanto
provvel soluo final, de modo que nesse estgio h muitas incertezas e
corre-se assim certo risco em supor que a iniciativa seja vivel. medida
que o projeto progride, aparecem condicionantes, surgem solues
alternativas, comparam-se possibilidades, concretizam-se outras
informaes, a auxiliar numa resposta a essa perene questo. Portanto, o
risco de tomar uma soluo errada mximo ao incio do processo e
decresce com a apario de novos elementos.
2.2 Sistemas Posicionadores de Preciso
Desbravados os conceitos de metodologia, mtodos e modelos de
projetos, com o intuito de chegar resoluo do problema, ou seja, um
microposicionador angular para mecnica de preciso, faz-se necessrio
Captulo 2 44
obter informaes a respeito de sistemas posicionadores e seus elementos
constituintes.
2.2.1 Consideraes gerais
O grande interesse dispensado ao desenvolvimento de sistemas
posicionadores de preciso encontra justificativa na sua crescente demanda,
como em equipamentos indispensveis fabricao de componentes de
preciso, empregados em diversas reas como engenharia mecnica,
ptica, engenharia eltrica e computao.
Mquinas para usinagem de ultrapreciso necessitam de sistemas de
posicionamento e sistemas de correo dos erros provindos dos elementos
componentes da mquina. a maneira mais direta de se alcanar a
preciso desejada porque em projetos de ultrapreciso no se deve tentar
aumentar a preciso da mquina aumentando ao mximo a preciso de
cada elemento, pois os custos certamente tornaro o projeto proibitivo
(PURQUERIO et al., 1994).
Basicamente, um sistema de posicionamento tem como objetivo
movimentar um objeto ao longo de uma trajetria pr-determinada at uma
posio desejada, em geral por meio de energia mecnica, ou seja, os
sistemas posicionadores so construdos com o propsito de estabelecer
posies relativas entre elementos de um mesmo sistema; por exemplo, o
posicionamento de uma ferramenta em relao a uma pea a ser usinada
em uma mquina-ferramenta. O controle do processo em mquinas-
ferramenta vem se desenvolvendo, principalmente em funo da preciso da
mquina, pois as dificuldades e os custos aumentam de acordo com o nvel
de preciso desejado (TNSHOFF et al., 1988 & THOMPSON et al., 1982).
Na usinagem de ultrapreciso se requer um rgido controle do perfil a ser
Captulo 2 45
usinado, assim surge a necessidade de se obterem movimentos na faixa
micromtrica.
O projeto de um sistema posicionador efetuado de tal modo que ele
se comporte, tanto quanto possvel, como um corpo rgido. Existem sistemas
de posicionamento que possuem movimentos de translao e/ou rotao,
podendo apresentar um ou mais graus de liberdade, ou eixos de movimento
(ASANO & GOTO, 1991).
Foram desenvolvidos vrios tipos de sistemas posicionadores de
preciso com diferentes princpios de funcionamento, mas em todos eles os
desvios entre os posicionamentos tericos desejados e os reais obtidos
sempre ocorrem devido presena de fatores perturbadores de origem
interna ou externa aos equipamentos. A busca por sistemas posicionadores
cada vez mais precisos tornou necessria a construo de equipamentos de
melhor qualidade e a elaborao de novos mtodos para a identificao e
minimizao dos erros de posicionamento. Esta minimizao pode ser obtida
atravs da otimizao dos elementos que compem os sistemas
posicionadores ou atravs da compensao de erros, utilizando-se
atuadores de alta exatido, resoluo e velocidade de posicionamento, alm
de alta rigidez quando comparadas aos equipamentos convencionais
(WATANABE, 1992).
2.2.2 Classificao dos sistemas de posicionamento
Existem sistemas de posicionamento manuais e automticos, com
movimentos de translao e de rotao, podendo apresentar um ou mais
graus de liberdade, ou eixos de movimentos. Estes sistemas podem ser
acionados basicamente por motores eltricos (servomotores) ou motores
hidrulicos. Em posicionadores de alta preciso, atualmente j esto sendo
empregados acionamentos piezoeltricos para movimentos com cursos de
Captulo 2 46
dezenas de micrmetros, com preciso de 3 nm e resoluo de 5 nm (ASANO & GOTO, 1991).
Sistemas de posicionamento manuais caracterizam-se por
apresentarem acionamento manual dos eixos de movimento por meio de
parafuso micromtrico, onde o controle e resoluo so dependentes da
sensibilidade visual e habilidade do operador. O controle do posicionamento
normalmente executado pelo operador do sistema por meio de escalas e
microscpios pticos de medio. Em geral, caracterizam-se tambm por
terem uma estrutura e mecanismos relativamente simples, de baixo custo,
sendo indicado para tarefas de posicionamento de mdia preciso (HNHE,
1990a).
O sistema de posicionamento automtico acionado por
servomotores eltricos ou cilindros pneumticos/hidrulicos. Contudo, tendo
em vista que atuadores pneumticos so de difcil controle e preciso
limitada, prefervel usar servomotores eltricos ou atuadores hidrulicos,
que so mais facilmente controlados.
Os posicionadores automticos caracterizam-se por possurem
sensores para o monitoramento de posio e velocidade, alm de
subsistemas eletrnicos para o comando e controle das variveis funcionais.
Possui maior complexidade eletro-mecnica que os sistemas de
posicionamento manuais, porm conseguem-se obter preciso e resoluo
de ordem submicromtrica (HNHE, 1990a).
2.2.3 Estrutura funcional de um posicionador
Num posicionador, o controlador executa sinais de comando de
posio e os compara com os valores das variveis controladas, enviando o
sinal resultante para o acionamento. O acionamento tem como sub-funo
Captulo 2 47
transformar controladamente a energia eltrica em energia mecnica,
movimentando a mesa do posicionador atravs de mecanismos adequados
que convertem e reduzem os sinais provenientes do atuador (sinais de
entrada) em deslocamentos de translao e rotao. Estes deslocamentos
(sinais de sada) so medidos por sensores e realimentam a unidade
controladora, fechando a malha de controle (TAVARES, 1995). Atravs da
FIGURA 2.12 pode-se observar a estrutura funcional de um posicionador.
sistema demedio de sensores
atuador acoplamento redutor conversor demovimentos
mesaguias
Wel
controlador U
U - variveis de comando Wel - energia eltrica
FIGURA 2.12 - Estrutura funcional de um posicionador
Sistemas posicionadores rotativos ou lineares convencionais
movimentam-se normalmente atravs do deslizamento ou do rolamento
sobre guias, ocasionando problemas de desgaste e de stick-slip.
Equipamentos de preciso como mquinas-ferramenta de preciso,
mquinas de medir a trs coordenadas e equipamentos litogrficos para a
fabricao de componentes eletrnicos empregam usualmente mancais
aerostticos ou hidrostticos em suas guias, eliminando assim, os problemas
mencionados (desgaste e stick-slip).
Servo-motores de corrente contnua ou de corrente alternada,
motores de passo e motores hidrulicos so os elementos acionadores
Captulo 2 48
rotativos mais utilizados nos sistemas posicionadores. A associao destes
motores a conjuntos fuso-castanha apresenta-se como a soluo mais usual
quando se deseja transformar o movimento de rotao em translao. Para
diversas aplicaes, esta associao bastante satisfatria, pois os
conjuntos fuso-castanha trabalham como redutores, permitindo a obteno
de pequenos deslocamentos lineares com motores de baixos torques.
As limitaes quanto preciso dos sistemas posicionadores
convencionais e a necessidade de se produzirem componentes cada vez
mais precisos e de m