Trabalho de Conclusão de Curso
Dezembro de 2009, São Paulo-SP, Brasil
NUSP: 5432554
ATUADOR POR EXPANSÃO E CONTRAÇÃO SÚBITA
Decio Romeu Kono Shiro
[email protected]
Fabio Yuzo Ueno
[email protected]
Orientador: Prof. Dr. Oswaldo Horikawa
[email protected]
Resumo
O objetivo do presente trabalho é o estudo e a implementação de um Impact Drive Mechanism (IDM) que
se movimenta pela expansão e contração súbita utilizando um atuador pneumático controlável. O IDM é
um método de movimentar objetos através do atrito e do impulso dado pelo atuador. O mecanismo possui
apenas 1 grau de liberdade, mas é possível combinar vários dispositivos e conseguir diferentes
movimentos (com até 6 graus de liberdade). O IDM existe em pequenas dimensões para movimentos
nanométricos, dando precisão ao movimento. Porém, este projeto visará à implementação desse
mecanismo em dimensões maiores. As principais aplicações do IDM são em braços de robôs, sistema de
centralização em suportes rotativos, dispositivo para posicionamento de placas impressas, máquinas
onde é necessária precisão de movimento.
Palavras chave: Mecanismo de Acionamento por Impacto, Pistão Pneumático, Válvula Solenóide,
Atuador por Expansão e Contração.
******************************
1.Introdução
O atuador por expansão e contração súbita é um
mecanismo desenvolvido para movimentar um
corpo através da rápida expansão ou contração
de um corpo, através de um atuador. O estudo
desse mecanismo já foi desenvolvido por
Toshiro Higuchi utilizando um atuador
piezoelétrico. No entanto, neste projeto será
utilizado um atuador pneumático.
O atuador por expansão e contração
piezoelétrico é muito utilizado na micro
robótica devido a sua alta precisão de
posicionamento (nanométrica) e estrutura
simples. Devido também ao seu fácil manuseio
e implementação, é possível combinar vários
dispositivos e aumentar o numero de graus de
liberdade.
O método de movimento por expansão e
contração súbita que estamos querendo
desenvolver neste projeto, recebe o nome
técnico de Impact Drive Mechanism (IDM).
Esse método utiliza o atrito estático e a força
impulso dado pelo atuador para movimentar o
mecanismo. O mecanismo é composto por um
corpo principal, um atuador e uma massa menor.
2.Metodologia
O princípio de movimento do mecanismo é
muito simples. A rápida expansão do atuador
faz com que uma força impulso gerada pelo
atuador, supere a força atrito estático no corpo
principal e o movimenta em direção contrária.
Quando a contração é feita de forma lenta, a
força inercial é menor que o atrito estático,
portanto o corpo principal permanece imóvel,
movimentando apenas a massa menor. O
movimento pode ser feito em sentido contrário
se a expansão for lenta e a contração for rápida.
Trabalho de Conclusão de Curso - Dezembro de 2009; Coordenadores: Prof. Dr. Lucas Moscato e Prof. Dr. Edson Gomes;
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo; Depto. Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos; Disciplinas: PMR2500 e
PMR2550
Av. Prof. Mello Moraes 2231 CEP 05508-900 São Paulo – SP
Figura 3: Atuador Higuchi (Ref. [1])
Figura 1: Princípio de movimento
O processo do movimento ocorre da seguinte
forma:
a)
O ciclo começa com o atuador
estendido
b)
O atuador contrai lentamente para que
apenas o peso menor se mova.
c)
Fim da contração.
d)
Uma súbita expansão do atuador causa
uma força inercial impulsiva que move o corpo
principal.
e)
Fim da expansão e o ciclo recomeça.
Deste modo, para testes iniciais serão usados
cilindros de alumínio de 77 mm de diâmetro,
sendo um com 77 mm e o outro com 30 mm de
comprimento. Este tamanho foi definido de
acordo com a força que o pistão consegue
exercer sobre as massas.
O alumínio foi escolhido por ser um material de
fácil usinagem. A densidade do alumínio é de
2697 kg/m3.
As massas são de aproximadamente de 900g a
massa maior e 350g a massa menor.
3.1.Pistão pneumático
3.Protótipo
Figura 4: Construção interna do pistão (Ref. [5])
Neste projeto será utilizado um Pen-Cylinder de
dupla ação da marca Koganei.
Figura 2: Protótipo
3.2.Válvula Solenóide
Para o projeto do protótipo foi considerado o
estudo do atuador Higuchi para achar uma
proporção entre as massas:
Trabalho de Conclusão de Curso - Dezembro de 2009; Coordenadores: Prof. Dr. Lucas Moscato e Prof. Dr. Edson Gomes;
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo; Depto. Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos; Disciplinas: PMR2500 e
PMR2550
Av. Prof. Mello Moraes 2231 CEP 05508-900 São Paulo – SP
controlar a válvula solenóide através das pontes
H do CI L298. De acordo com o sinal do
computador, as válvulas irão se alternar,
mantendo sempre uma aberta e a outra fechada,
movimentando assim o pistão. O sinal do
computador irá também controlar a velocidade
do pistão para que tenha uma expansão súbita e
uma contração lenta ou uma contração súbita e
uma expansão lenta.
5. Testes
Figura 5: Construção interna da válvula (Ref. [6])
Neste projeto será utilizada a válvula solenóide
030E1 da marca Koganei.
Esta válvula foi escolhida pois funciona com
uma pressão de até 0.7 Mpa o que é suficiente
para o nosso projeto. Como é uma válvula 3/2
vias, serão utilizadas duas válvulas para o
controle do pistão. Elas se alternarão no
funcionamento de acordo com o controle via
computador.
M oviment o para Direita
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
2
4
6
8
10
12
10
12
P assos
4. Acionamento
Gráfico 1: Movimento para direita
M oviment o para Esquerda
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
2
4
6
8
P assos
Gráfico 2: Movimento para esquerda
Figura 6: Esquema de Acionamento
O acionamento do pistão ocorrerá da seguinte
forma: um programa em linguagem C do
computador gerará um sinal via porta paralela
para o circuito controlador. O circuito irá
6. Conclusões
A partir dos testes realizados foi verificado o
deslocamento é máximo quando o delay entre os
pulsos na movimentação lenta é de 22ms para a
esquerda e 35ms para a direita. A diferença dos
tempos e do deslocamento deve-se à diferença
nos solenóides e à diferença no impacto na
contração e na expansão.
Foi testado o acoplamento do dispositivo a um
carrinho com resultado satisfatório. Assim, fica
Trabalho de Conclusão de Curso - Dezembro de 2009; Coordenadores: Prof. Dr. Lucas Moscato e Prof. Dr. Edson Gomes;
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo; Depto. Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos; Disciplinas: PMR2500 e
PMR2550
Av. Prof. Mello Moraes 2231 CEP 05508-900 São Paulo – SP
confirmada a possibilidade de movimentação de
massas ainda maiores.
[4] Katsushi Furutani, Naotake Mohri and
Toshiro Higuchi. “DESIGN NOTE - A built-in
displacement sensor for an impact drive
mechanism” - Meas. Sci. technol. 10 (1999).
[5] Koganei, Actuators General Catalog – Pen
Cylinder.
<http://ww1.koganei.co.jp/en/shop/goods/series.
aspx?category=A060010000> Acesso em 10 de
Junho de 2009.
[6] Koganei, Valves General Catalog –
Solenoids
Valves
030
Series.
<http://ww1.koganei.co.jp/en/shop/goods/series.
aspx?category=B010060000> Acesso em 10 de
Junho de 2009.
Referências Bibliográficas
[1] T.Higuchi, Y.Yamagata, K.Furutani, and
K.Kudoh "Precise positioning mechanism
utilizing rapid deformations of piezoelectric
elements", Proc. of IEEE Workshop on Micro
Electro Mechanical Systems, pp.47-51 (1990)
[2] Advanced Mechatronic Lab. Disponível em
<http://www.aml.t.utokyo.ac.jp/research/pidm/pidm_e.html>
Acesso 04 de Abril de 2009.
[3] Effect of Lubrification on Impact Drive
Mechanism. Precision Engeneering 22: 78-96,
1998. Elsevier Science Inc.
===========================================================================
SUDDEN EXPANSION AND CONTRACTION ACTUATOR
Abstract
The objective of this work is the study and implementation of an Impact Drive Mechanism (IDM) that
moves through the sudden expansion and contraction using a controllable pneumatic actuator. The IDM
is a method of moving objects by friction and the impetus of the actuator. The mechanism has only 1
degree of freedom, but you can combine multiple devices and get different movements (up to 6 degrees of
freedom). The IDM already exists on small dimensions for nanometric movements. However, this project
will target the implementation of this mechanism in larger dimensions. The main applications of the IDM
are in the arms of robots, system centralization in rotation device for positioning of printed wiring boards,
machines where it is needed precision of movement.
Keywords: Impact Drive Mechanism, Pneumatic Actuator, Solenoid Valve, Expansion Contraction
Actuator.
Trabalho de Conclusão de Curso - Dezembro de 2009; Coordenadores: Prof. Dr. Lucas Moscato e Prof. Dr. Edson Gomes;
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo; Depto. Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos; Disciplinas: PMR2500 e
PMR2550
Av. Prof. Mello Moraes 2231 CEP 05508-900 São Paulo – SP