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Introdução ao Sistema Baseado em Mecatrônica

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Introdução à Mechatronics Based Systems

C1M2T2_V1 Mechatronics Based Systems Till now, um termo ou uma palavra tem sido muito utilizado regularmente e esse termo é sistema. Conforme o ponto de vista da engenharia, um sistema pode ser definido como uma caixa ou um todo delimitado ou volume que tenha determinadas entradas e determinadas saídas, onde há um conjunto de relações entre os elementos. Esses elementos são entradas e saídas. O conjunto de relações entre a entrada e a saída representa o comportamento do sistema real. Quando essa relação é representada na forma matemática, então esse processo é chamado de modelagem do sistema. Um exemplo simples de um sistema é um termômetro. Termômetro é um sistema muito comum que se pode ter. A entrada para o sistema ou entrada para o termômetro é a temperatura. Termômetro mede a temperatura. O elemento de entrada para este sistema é a temperatura e a partir deste termômetro obtemos um valor s ou um número, exibido na tela se for um termômetro digital ou se for um termômetro analógico, então podemos vê-lo na escala. Há uma relação desse número com a temperatura de entrada, já que a temperatura está aumentando o número também está aumentando. Sendo assim, pode-se dizer que o número exibido na tela é diretamente proporcional à temperatura Esta relação quando representada matematicamente é chamada de modelagem do sistema. Um motor pode ser tomado como o segundo exemplo. Para o motor, a entrada é de energia elétrica e a saída é uma rotação. Novamente, há um relacionamento, a rotação do eixo do motor gira em alta velocidade quando mais energia elétrica for aplicada. Então, o motor ou um termômetro podem ser chamados como sistemas que estão tendo certas entradas e saídas. Mais um exemplo do termo sistema é um sistema mecânico típico e que o sistema mecânico típico é uma mola. A primavera é amplamente utilizada em variedade de aplicações de engenharia. A aplicação mais importante ou mais comum da primavera está em suspensão de automotivo. As molas vêm em uma variedade de tipos tais como; mola de compressão, mola de extensão, mola de torsão, mola de bobina e mola de folhas. Além disso, outra aplicação da primavera está em nossa palestra anterior que está em relógios ou relógios. Agora, considerando uma mola típica e um arranjo de força; na primavera, quando uma força no final livre da mola é aplicada, seu fim fica deslocado. Assim, a entrada para o sistema é uma força e a saída é o deslocamento. A primavera segue a lei de Hooke's law.Hooke é um princípio da física, que afirma que, a força necessária para se estender ou comprimir uma mola por alguma distância é proporcional a essa distância em si. Esta lei foi dada por um físico britânico em 17º século. Quando uma mola é esticada ou comprimida, seu comprimento muda por uma quantidade x de seu comprimento de equilíbrio, então ele exerce uma força F, que se encontra na direção em direção à posição de equilíbrio. A força que a mola exerce não é nada, mas a força restaurada. Ele restaura a mola para o seu comprimento de equilíbrio. Matematicamente, a lei de Hooke pode ser representada como F = Kx onde F é a força em Newton, x é a distância em metros e K é a constante de proporcionalidade e ela é chamada como rigidez da mola. O diagrama de blocos de um típica sistema de mola pode ser visto na figura acima. Sabe-se que, uma mola tem uma força e um deslocamento e ela segue o princípio de funcionamento como F = Kx. Então, essa relação seria verdadeira no caso de condição de estado estável. No entanto, na realidade, a mola oscila e vibrará sobre a sua posição de equilíbrio e alcançará a sua posição de equilíbrio após certo tempo. Então, se uma força na mola é aplicada, observa-se uma extensão da mola. No entanto, esta não será a extensão final ou valor final que estaremos recebendo, a primavera oscila e vibrará e depois de algum tempo ela vai ficar estabilizada. Agora, serão discutidos os vários blocos de construção de um sistema automatizado de auto de mecatrônica baseado em mecatrônica. O primeiro bloco de construção de um sistema automatizado é o sistema de medição. O sistema de medição possui vários sensores, dispositivos de condicionamento de sinal e unidades de exibição. O segundo bloco de construção são as unidades e os sistemas de atuações. O terceiro é um sistema de microprocessador e o quarto bloco de construção é o software. Sabe-se que, o software é um conjunto de programas que estão controlando as operações do sistema de microprocessador. Em um arranjo mostrando os blocos de construção de um sistema automatizado, um sistema mecânico que está basicamente sendo controlado por um sistema de controle baseado em microprocessador pode ser visto. Este sistema de controle baseado em microprocessador obtém insumos de vários sensores, que podem ser sensores digitais ou sensores analógicos. Esses sensores estão dando mais sinais para os aparelhos de condicionamento de sinal. O condicionamento de sinal pode ser a conversão de sinais analógicos em sinais digitais. Pode também ter as diversas funções como amplificação, linearização, remoção de ruído, modulação. Este condicionamento de sinal será discutido em detalhes em nossas próximas palestras. O microprocessador dá sinais para os atuadores através de um conjunto de dispositivos de condicionamento de sinal. Sabe-se que, os microprocessadores estão produzindo uma série de pulsos e com base nessa série de pulsos temos que actualizar os atuadores. No entanto, alguns dos atuadores estão usando a entrada analógica como motor. Nesse caso, ele converte o sinal digital que está vindo do microprocessador para a forma analógica e esse sinal analógico será utilizado pelo atuador. Atuadores estão atuando o sistema mecânico. Trata-se de um arranjo típico em que ele possui sistema mecânico básico e este está sendo controlado por um sistema de controle baseado em microprocessador. Possui os blocos importantes, ou seja, o sistema de medição e o sistema de atuação.

PAGE 2 Avaliação Questão #1 Qual das seguintes é a representação matemática da Lei de Hooke? Arraste a resposta correta para o espaço fornecido

Resposta correta: F = Resposta Kx Incorreta: K=Fx, F=Xk, X = Kf

PAGE 3 C1M2T2_V2 Mechatronics-Based Spring System Para entender esses blocos de construção, vamos pegar um exemplo bem simples de um sistema de mola e vamos tentar desenvolver um sistema automatizado baseado em mecatrônica para o sistema de molas. Na palestra presente, a mola é considerada como modelo e que modelo de sistema mecânico será convertido em modelo de sistema baseado em mecatrônica. Para este efeito, será considerado um dispositivo de cilindrada de êmbolo hidráulico. Vê-se na primavera que, imita a lei de Hooke, ou seja, F = Kx. Assim, para ter um sistema automatizado, aqui vamos pegar um dispositivo de cilindro de êmbolo hidráulico. Ele tem um cilindro, o cilindro tem um êmbolo, o cilindro tem duas portas, porta número 1 e porta número 2. Quando aplicamos fluido pressurizado através da porta 1 há uma extensão do cilindro, o êmbolo vai sair do cilindro. Se fluido pressurizado é aplicado através da porta 2, então há contração do cilindro. O êmbolo se deslocará dentro do cilindro e este é um dispositivo típico de cilindro de êmbolo hidráulico. Quando uma pressão fluida é aplicada, com força, F em função de extensão, será obtida uma extensão do cilindro x. Para fazer esse processo de forma automática, são necessários sensores e um sistema de medição. Novamente, para a finalidade de tomar decisões automaticamente, é utilizado um microprocessador. Um microprocessador não é nada além de um dispositivo que está tendo portões lógicos e elementos de memória. O microprocessador realiza funções lógicas que são implementadas por meio de software. Considere, podemos desejar uma saída se entrada A e entrada B, ambas estão dando sinais. Queremos uma saída quando a entrada A e a entrada B, ambas estão dando sinais para o microprocessador, então, queremos ter a saída. Pode haver uma situação ou pode haver um programa que esteja pedindo ao microprocessador para produzir saída quando qualquer um de entrada estiver presente. Esse tipo de condições, quando os microprocessadores são ensinados através de programas, então é dito que estamos desenvolvendo um sistema de controle baseado em microprocessador. Quando as portas de saída de input-output, a memória e todos os portões lógicos estão integrados em um único chip, que é chamado como microcontroladores. Um sistema integrado é um sistema baseado em microprocessador, que é projetado para controlar uma gama de funções e não para ser programado pelo usuário final. Em outras palavras, o significado de sistema integrado é que, quando os microcontroladores ou o sistema baseado em microprocessador é integrado ao sistema mecânico e o usuário final não é autorizado a programá-lo. Um exemplo simples é a máquina de lavar. O usuário não pode reprogramar ou não pode editar o programa da máquina de lavar. Seja qual for o designer ou o fabricante que tenha dado a nós, por isso temos que usar o mesmo programa ou o mesmo modo de operação. O próximo bloco de construção é geração de sinais de nível adequado e de tipo adequado. Em seguida, vem a atuação, que não passa da extensão sobre ou da contração do cilindro. Essa extensão ou contração do cilindro seria feita com o uso de fluido hidráulico pressurizado. Aquele fluido hidráulico pressurizado será gerado com o uso de um motor elétrico e de bomba hidráulica. Bomba e arranjo motor são os dispositivos de atuação. E então é necessário escrever um programa de computador, e um conjunto de instruções que estão mimetizando a lei de Hooke. Agora, representando todos esses elementos como um diagrama de blocos, nós tomámos o sistema de cilindros de pistão hidráulico, depois temos de selecionar um sensor adequado. Neste caso, considera-se LVDT, que é um transformador diferencial variável linear. É sensor de deslocamento baseado em contato. Os sensores estão produzindo os sinais que serão condicionados e a forma analógica será convertida em forma digital, e que os sinais digitais são dados ao microprocessador. Como é conhecido, o microprocessador entende a forma digital do sinal. Qual é o significado de forma analógica do sinal? Na forma analógica, o sinal é função contínua do tempo. No entanto, em forma digital os sinais não são nada, mas sequência de pulsos. Estamos recebendo os sinais em termos de pulsos. Os microprocessadores compreendem apenas os sinais digitais, para os quais o sinal analógico é convertido na forma digital. Microprocessador tem o programa configurado pelo programador. Ele gera a saída para o formato digital e essa saída é necessária para converter-se ainda mais em formato analógico, pois o nosso atuador é um motor elétrico. O motor está rodando com base na energia elétrica, assim, os pulsos digitais são convertidos em nível adequado de sinal analógico e esse sinal analógico está ativando o motor. O motor dirige a bomba, e a bomba está conduzindo o arranjo de cilindro de êmbolo hidráulico. Ele se estende ou contrata com base em certos arranjos de bomba de motor e poucos outros equipamentos auxiliares, e com base nisso, novamente ele gera certos sinais em sensores de transformadores diferenciais de variáveis lineares. Que sensores estão dando entrada para o microprocessador, o microprocessador novamente processa a informação e leva o sinal e dá para o arranjo de cilindros de êmbolo hidráulico. Desta forma, é fácil imitar a lei de Hooke ou seja, F = Kx. Com base na discussão acima, como podemos ter os arranjos reais de todos esses elementos podem ser vistos. Assim, na figura, podemos ver um arranjo típico que pode ser desenvolvido para mimetizar isso para a lei de Hooke. Nesse caso, se for procurado para converter esse sistema de mecatrônica equivalente em um sistema automatizado baseado em mecatrônica, quais são as várias coisas necessárias; serão discutidos. Na figura, podemos ver um arranjo típico. Este arranjo típico tem o arranjo de cilindro de êmbolo hidráulico. No final do êmbolo uma placa está presa. Há um conjunto de sensores, sensor LVDT 1 e sensor 2. Sensor 1 vai sentido a extensão do cilindro, o sensor 2 vai sentido a contração do cilindro. Analógico para conversor digital, sistema de microprocessador, conversor digital para conversor analógico também estão presentes. O microprocessador do sistema está controlando as operações da bomba hidráulica, o processador está dando sinais para bombear, ele inicia a bomba e desliga a bomba. O sistema também está regulando a pressão dentro do sistema. O processador também está direcionando o fluxo de fluido dentro do sistema. O microprocessador também está monitorando a qualidade do fluido hidráulico que está sendo utilizado por meio do monitoramento dos sinais provenientes do filtro. Se o fluido estiver contaminado, se ele tiver muitas partículas físicas que podem entupir o sistema, isso pode prejudicar o sistema, então o microprocessador nós daremos o alarme ele pedirá ao operador para mudar o fluido. Pode ser visto, como o microprocessador pode operar o arranjo de cilindros de êmbolo. Para a extensão, o microprocessador dará o sinal para a bomba hidráulica para bombear o fluido pressurizado na porta A. Como um fluido pressurizado chega através da porta A, o êmbolo irá se afastar ele vai sair o cilindro se estenderá e que será sentido pelo sensor LVDT 1. A LVDT está em contato direto com a placa de ponta. A entrada do sensor será usada pelo microprocessador e se o deslocamento for conforme o desejo, sua multa, mas se não for conforme o valor do conjunto, então, pedirá a bomba hidráulica para bombear mais fluido na porta A até atingir o seu valor de conjunto de valor designado. Para alterar a direção do movimento do êmbolo ou para a contração, então o microprocessador pode pedir a parede de controle para colocar a pressão no outro lado do êmbolo, para essa finalidade, a parede de controle será operada pelo microprocessador e o fluido pressurizado será dado no outro lado do êmbolo. Quando o fluido pressurizado vem nessa área, então o êmbolo vai contrair até atingir a sua posição designada. Dessa forma, o microprocessador controla o bombeamento do fluido hidráulico dentro do arranjo do cilindro do êmbolo, regula a pressão e controla a direção de movimento de fluido dentro do sistema. Desta forma podemos converter um sistema em um sistema automatizado baseado em microprocessador típico. Para isso muitos equipamentos, muitos sensores, atuadores são necessários e um tem que aprender a programar também os microprocessadores.

PAGE 4 Avaliação Questão #2 Qual das seguintes NÃO é um bloco de construção de um sistema automatizado baseado em mecatrônica? Escolha uma resposta.

Resposta correta: Sistemas de Posicionamento Incorreta resposta: Sistema de medição, Drives e sistemas de atuações, sistema de Microprocessador e Software