CAPÍTULO 2
1. Introdução
2. Sistemas mecânicos passivos
3. Sistemas mecânicos ativos
4. Sistemas mecânicos ativos com
realimentação elétrica: sistemas
mecatrônicos
5. Metodologia de projeto – sistemas
mecatrônicos
6. Características do projeto de um
sistema mecatrônico
7. Projeto de um sistema mecatrônico
e perfil de conhecimentos
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1. Introdução
A capacidade de um sistema mecânico de se adaptar a novas exigências depende
de como ele foi projetado.
Sistemas mecânicos: ativos e passivos
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2. Sistemas
mecânicos passivos
O projeto de um sistema mecânico deve atender a essas necessidades:
i) Forma geométrica do sistema e de cada um de seus componentes.
Relaciona-se com as formas macroscópicas, como comprimento, altura,
largura etc., e até a detalhes microscópicos, como o acabamento superficial.
ii) Material a ser empregado em cada componente. Relaciona-se não somente
aos elementos químicos que constituem o material, mas também aos aspectos
estruturais que envolvem o tipo de tratamento térmico/químico aplicado.
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Projeto de um
sistema mecânico passivo
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Ciências básicas da engenharia mecânica
direcionadas ao projeto
a) Cinemática: define a relação entre a geometria e a grandeza física a ser
gerada (posição, velocidade, aceleração, força etc.).
b) Dinâmica: garante que as partes que compõem o dispositivo, cada uma
possuindo uma inércia, executem as funções requeridas segundo uma ordem
cronológica desejável.
c) Resistência dos materiais: garante que a relações geométricas acima
definidas sejam preservadas (o que implica preservar as formas geométricas)
mesmo diante de deformações provocadas por esforços ou de rompimentos
completos do componente, o que é uma forma extrema de deformação.
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Ciências básicas da engenharia mecânica
direcionadas ao projeto
d) Termodinâmica: define as dimensões e a geometria dos componentes do
mecanismo, a fim de garantir que elas não atinjam temperaturas que possam
comprometer a resistência mecânica.
e) Mecânica dos fluidos: define esforços gerados por líquidos em repouso ou
em movimento e, por meio desses esforços, a geometria e as dimensões dos
componentes.
f) Tribologia: finalidade similar à descrita no item ‘resistência dos materiais’,
mas são consideradas as deformações permanentes decorrentes do desgaste
dos componentes do dispositivo. Define a forma adequada de acabamento
superficial e aspectos microscópicos da forma geométrica para garantir menor
desgaste e lubrificação.
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Ciências básicas da engenharia mecânica
direcionadas ao projeto
g) Ciência dos materiais: define o material a ser empregado nos
componentes com base em parâmetros como dureza, modulo de elasticidade,
tensão de ruptura, resistência ao desgaste, usinabilidade e custo, entre
outros, que caracterizam cada tipo de material.
h) Tecnologia de fabricação: define a tecnologia de fabricação mais
adequada para a obtenção de formas e materiais com características
especificadas por meio de estudos que abrangem os itens de (a) a (f).
i) Economia: leva em conta a existência de uma forte relação entre custo e a
forma geométrica a ser obtida. Como a tendência é minimizar o custo, ele
acaba contribuindo na definição da forma geométrica.
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Funcionamento de um
sistema mecânico passivo
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Metodologia de concepção
de sistemas mecânicos passivos
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3. Sistemas
mecânicos ativos
Inclusão do conceito de controle automático na etapa de concepção do
sistema mecânico => o elemento de ajuste realiza as devidas correções de
parâmetros internos do sistema, a fim de obter a saída desejada. O
elemento de ajuste atua sem a intervenção humana.
Diferentemente dos sistemas mecânicos passivos, na entrada dos sistemas
mecânicos ativos, as funções desejadas não são explicitamente indicadas,
pois não são fixas e podem variar. De acordo com as alterações em tais
funções, o elemento de ajuste, incorporado ou anexado ao sistema
mecânico, procede aos devidos ajustes nos parâmetros internos do
sistema, sem a intervenção humana, de modo que se obtenham as funções
desejadas na saída.
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Sistemas
mecânicos ativos
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Regulador automático de
velocidade James Watt (1788)
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4. Sistemas mecânicos
ativos com realimentação elétrica:
sistemas mecatrônicos
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Sistemas mecânicos
ativos com realimentação elétrica:
sistemas mecatrônicos
Ao se proceder à realimentação utilizando sensores eletrônicos, dispositivo
eletrônico de tratamento de sinais e atuadores eletromecânicos, passa-se a
ter uma realimentação altamente eficiente em termos de (sem citar as
vantagens advindas do uso do computador):
• precisão de controle;
• rapidez de resposta;
• capacidade de realizar algoritmos de controle de elevada complexidade.
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5. Metodologia de projeto –
sistemas mecatrônicos
a)
Distinção de uma parte que trata do projeto mecânico de outra que trata
do projeto do controle (esta última inclui os sensores, os atuadores, o
controlador e a estratégia de controle).
b)
Especificação do sistema mediante a execução concomitante do
projeto mecânico e do projeto do controle.
c)
Duas possíveis alternativas para um reprojeto, no caso de um projeto
inicial não atender às necessidades especificadas.
d)
Diferentemente do projeto de um sistema mecânico convencional, no qual
se gera somente especificação quanto ao material e à geometria, aqui se
gera especificação adicional, referente aos sensores, aos atuadores e à
estratégia de controle.
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6. Características do projeto
de um sistema mecatrônico
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7. Projeto de um
sistema mecatrônico
e perfil de conhecimentos
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