APLICAÇÃO DO SOFTWARE DE CAD INVENTOR NO
AUXILIO DO ENSINO DE CINEMATISMO DE
MÁQUINAS
Edivaldo A Bulba1, Flávio S Ferreira2, Giovanni B M Ferreira2, Guilherme A F Souza2 , Jonathan C. Cardozo2
1
Prof. Dr. dos cursos de Mecânica da FATEC-SP
2
Aluno do curso de Projetos da FATEC-SP
[email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected];
[email protected]
Resumo
Este trabalho apresenta como um pequeno grupo de
alunos desenvolveu alguns vídeos com propóstitos
educacionais do cinematismo do TPUM (torno paralelo
universal mecânico) empregando o software de CAD
Inventor, e como estes vídeos auxiliam no aprendizado
de cinematismo de máquinas operatrizes.
elétrico como fonte de potência na forma de torque e
rotação, uma caixa de velocidades onde há a seleção da
rotação de trabalho para usinagem da peça e um sistema
de avanços automáticos e manuais.
A relação de transmissão é definida pelos pares de
elementos mecânicos tais como engrenagens e polias e
dada por :
(1)
1. Introdução
Os elementos de máquinas, mecanismos e sistemas
de transmissão utilizados nas máquinas operatrizes são
variados e algumas vezes difíceis de serem
compreendidos sem a visualização das máquinas inloco. Nos cursos de Tecnologia Mecânica de Projetos e
Processos de Produção, na Fatec São Paulo, a
introdução ao cinematismo destas máquinas ferramenta
é feita na disciplina de Operações Mecânicas I. Há anos
há um consenso que recursos audio-visuais facilitam o
ensino de tais cinematismos junto às aulas de teoria. No
primeiro semestre de 2011 o responsável pelas
disciplinas de Operações Mecânicas após ter ensinado o
cinematismo do TPUM para uma turma de Projetos em
Operações Mecânicas I, lançou um desafio aos alunos,
perguntando quem aceitava desenvolver vídeos dos subconjuntos do cinematismo do TPUM sob sua orientação,
empregando para isto algum programa de CAD
dedicado à projetos mecânicos com recurso de
simulação dinâmica passível de ser gravado em arquivo
de vídeo e com o propósito de que estes vídeos fossem
utilizados como ferramenta didática para futuras
turmas de Operações Mecânicas I. Os alunos Flávio
Ferreira e Giovanni Ferreira aceitaram o convite, tendo
a adesão de um terceiro que foi aluno de Op. Mec. I no
segundo semestre de 2011. Ressalta-se que este último
tinha acabado de ganhar a medalha de ouro na
Olimpíada do Conhecimento realizada em Londres,
concorrendo justamente na modalidade de aplicação de
CAD em projetos mecânicos [1]. Por sua vez, os
desenhos em 2D apresentados neste trabalho foram
refeitos por um quarto aluno, Jonathan C. Cardozo.
2. Módulos de transmissão do TPUM
O cinematismo da maioria das máquinas operatrizes
compostas internamente de elementos mecânicos
convencionais é constituída basicamente de um motor
Onde
z = número de dentes da engrenagem
d = diâmetro do elemento em mm (p. ex. polia)
t = torque no eixo do elemento em Nm
(relação válida para rendimento η= 1)
n = rotação do elemento em rpm
mot é abreviação de elemento motor
mov é abreviação de elemento movido
Para obter a relação de transmissão total, aplicamos:
(2)
Para obter a rotação final:
(3)
Para obter o torque inicial:
(4)
O rendimento η do conjunto mecânico, potência
fornecida e potência de atrito dependem das expressões
acima [4] modeladas à partir da cadeia cinemática que
vai do eixo do motor até o eixo árvore ou até o eixo que
fornece o movimento automático para usinagem de
roscas ou avanços para desbaste e acabamento.
Em suma, relações de transmissão, rendimentos,
torques, rotações e potências dependem da combinação
de vários pares de engrenagem e polias [3], como por
exemplo, no caso do torno paralelo universal mecânico.
O TPUM em questão é o modelo IMOR P400 com
motor elétrico de 1750 rpm, caixa inversora de rotação
com embreagens e uma caixa auxiliar interligada que
através de quatro pares de engrenagem propicia 4
valores diferentes de relação de transmissão antes da
entrada da caixa de velocidades:
Figura 1 – Caixa inversora de rotação e caixa auxiliar.
Na sequencia do cinematismo temos representado a
caixa de velocidades fornecendo 2x2 = 4 relações de
transmissão, que multiplicado pelas alternativas da
caixa auxiliar, totalizam 4x4 = 16 rotações diferentes de
saída no eixo-árvore, respeitando uma progressão
geométrica com razão φ=1,25:
Figura 3 – Recâmbio
Figura 2 – Caixa de velocidades
Em seguida temos o recâmbio que é caminho
cinemático obrigatório e portanto relação de transmissão
definida, todavia há possibilidade de alterá-la com a
máquina parada, totalizando 3 combinações diferentes,
o que propicia a usinagem de vários valores de passos
de rosca e avanços longitudinais e transversais
automáticos:
Abaixo, temos na sequencia a caixa de roscas e
avanços constituída de caixa norton [4] à esquerda com
1x9 = 9 relações de transmissão obtidas através de uma
engrenagem intermediária possível de ser acoplada entre
um dos 9 pares de engrenagem e do lado direito quatro
pares engrenados ao mesmo tempo, todavia com
mecanismo de chaveta interna deslizante. Assim apenas
neste sub-conjunto temos 9x4 = 36 valores de , tendo
no total a possibilidade de 16x36 = 576 rotações
diferentes para o fuso e vara lisa que estão acoplados na
saída desta caixa. Não obstante o que conta do ponto de
vista prático não é este elevado número de rotações mas
sim os 36 valores de passo de rosca obtidos com o
auxilio de um fuso na saída desse sub-conjunto;
Figura 4 – Caixa de roscas e avanços.
Finalmente, encerra-se o cinematismo com o avental
para movimento longitudinal e transversal automático.
Na entrada do avental há um sistema sem-fim e coroa de
relação 1:16 e na saída deste para o movimento
longitudinal automático há um sistema pinhão e
cremalheira. Neste sub-conjunto o valor da relação de
transmissão é único tanto para o avanço transversal
como para o longitudinal automático, todavia graças às
36 relações de transmissão da caixa de roscas e avanços,
podemos ter 36 valores de avanço automático
transversal e 36 valores de avanço automático
longitudinal para cada montagem de recâmbio :
Figura 5 – Avental
3. Construção dos vídeos
Foi desenvolvido um vídeo para cada uma das cinco
partes e outro mostrando toda a combinação.
A fim de agilizar o trabalho e torna-lo mais didático os
eixos foram planificados e alguns sistemas de
transmissão foram simplificados. Os cinco vídeos
podem ser vistos no youtube [2].
Enfatiza-se a necessidade de se assistir estes vídeos que
são o produto final, a ferramenta didática que motivou a
produção deste artigo. Apenas através da visualização
deles é que se percebe as vantagens pedagógicas
relacionadas à melhor compreensão das cadeias
cinemáticas e seus mecanismos conforme elencadas
neste trabalho. Aqui neste artigo não há como mostrar a
dinâmica destes vídeos.
Para a criação deste projeto, foram utilizados recursos
de modelagem 3D e animação foto-realista (rendering)
de um software CAD 3D chamado Autodesk Inventor
2012. Segundo seu desenvolvedor, os produtos de
software de CAD 3D Autodesk Inventor oferecem um
conjunto versátil e completo de programas para projetos
mecânicos 3D, simulações de produtos, criação de
ferramental, engenharia sob medida e comunicação de
design. O Autodesk Inventor, pode utilizar a simulação
dinâmica para prever com confiança como um
mecanismo ou produto irá funcionar em condições reais
e após gerar a simulação dinâmica, esta pode ser
prontamente convertida num vídeo avi. Nota-se portanto
que a geração de vídeos avi a partir da simulação
dinâmica têm o objetivo principal de facilitar o projeto e
testar a viabilidade do projeto em termos práticos sem a
necessidade de gerar um protótipo físico. Este software
propiciou excelentes condições para elaborar um
trabalho de alta qualidade gráfica, além de ser um
software com ferramentas exclusivas para simulações
mecânicas, como por exemplo a definição das relações
de transmissão entre engrenagens. Este software possui
recursos fáceis de serem utilizados devido a sua
interface simples e amigável, o que permitiu aos
integrantes do grupo rápido aprendizado e melhor
compreensão dos conceitos mecânicos aplicados em
projetos de máquinas. Notamos portanto que o recurso
de simulação dinâmica vinculados aos programas de
CAD não têm por objetivo principal ser uma ferramenta
didática, não obstante este trabalho evidencia que este
pode ser utilizado de forma bem sucedida também para
este propósito no ensino. Daí fica o incentivo que outras
disciplinas relacionadas à elementos e construção de
máquinas também façam uso semelhante do mesmo por
gerar vídeos a fim de facilitar a compreensão e
visualização de determinados sistemas e conjuntos
mecânicos.
Após gerado os vídeos desta simulação mecânica pelo
software Autodesk Inventor, foi utilizado o software de
edição de vídeo, Camtasia Studio para aplicar alguns
efeitos de apresentação deste projeto, como por exemplo
algumas legendas e o fundo musical. Numa etapa futura
pretendemos inserir uma narração e legendas ao longo
de toda a apresentação. Este programa também propicia
a gravação em qualquer mídia a fim de serem
reproduzidos em aparelhos reprodutores de DVD.
Todavia ressalta-se que poderíamos empregar outros
programas de edição de vídeo, sendo o Autodesk
Inventor a principal ferramenta de software para gerar
os vídeos do cinematismo do torno.
4. Conclusões
Com a produção dos vídeos, a combinação de vários
pares engrenados, caixa de roscas e avanços, sistema de
chaveta interna deslizante, sistemas de alteração do
sentido de rotação, sistema sem-fim e coroa, sistema
pinhão e cremalheira entre outros ficam mais fáceis de
serem compreendidos através dos vídeos.
A única forma de comprovar isto seria pela reação
dos alunos nas próximas turmas de Op. Mec. I. Isto se
deu no primeiro semestre de 2012, quando, durante o
ensino do cinematismo do TPUM, o professor utilizou
pela primeira vez estes vídeos somado aos recursos
anteriormente usados. Vários alunos desta turma
expressaram seu contentamento e agradecimento por ter
disponível tal ferramenta extra de aprendizado e
confirmaram que com os vídeos a compreensão e
visualização dos mecanismos do TPUM e por extensão
de outras máquinas operatrizes ficou facilitada. Esta
experiência vêm evidenciar mais uma vez o espírito
empreendedor e disposto de muitos alunos da Fatec SP
que em muito pode contribuir para que o trabalho
realizado pelos professores seja bem sucedido.
Agradecimentos
À Fatec-SP por disponibilizar recursos
que
facilitaram o desenvolvimento deste trabalho.
Aos professores que deram sugestões que
contribuíram para o aprimoramento dos resultados.
Referências Bibliográficas
[1]http://www.worldskillsportal.com/index.php?option=
com_content&task=view&id=3044&personnel_id=1
6482&UCP=yes.
[2] http://www.youtube.com/watch?v=tTi3ek1qzw0
[3] MELCONIAN, Sarkis. Elementos de máquinas.
São Paulo: Editora Érica, 2005 335p.
[4] WITTE, Horst. Máquinas-ferramenta elementos
básicos de máquinas e tec. de construção. 7. ed. São
Paulo: Hemus, 1998. 294 p