Servomecanismo N7SRV Prof. Dr. Cesar da Costa

Servomecanismo N7SRV Prof. Dr. Cesar da Costa
1.a Aula: Introdução ao Servomecanismos

INTRODUÇÃO AO SERVOMECANISMOS
A palavra servomecanismo é composta por servo e mecanismo, sendo a primeira de origem latina, servus, que significa escravo e a segunda também de origem latina, mechanismus, por sua vez derivada do grego, mekhane, denotando movimento mecânico de uma massa. Uma possível definição de servomecanismo é a seguinte: “Servomecanismo é um sistema em que uma grandeza cinemática, pressão, força ou binário (ou uma função destes valores) é realimentada para comparação com a entrada, sendo a diferença utilizada para o controle de uma fonte de potência, que incide sobre o mecanismo”.

Tipicamente, um servomecanismo é composto por 4 partes: Uma fonte de energia, Moduladores de potência, Atuadores Transdutores (sensores).

O controle do mecanismo é feito comandando os moduladores de potência, em função das referências e das variáveis que se pretendem controlar. Para esse efeito, é necessário um feedback dessas variáveis assegurado pelos transdutores. Figura 1 - Diagrama de blocos de um servomecanismo

A potência, proveniente da fonte de energia, é utilizada para realizar trabalho sobre o sistema ao qual o atuador está acoplado. Considerando os três modos de atuação mais comuns (eléctrico, hidráulico e pneumático) é possível apontar vantagens e desvantagens no uso de cada um. Estas diferenças podem-se exprimir em termos de capacidade de força/binário, que os servomecanismos conseguem desenvolver, velocidades e acelerações que conseguem impôr à massa móvel, precisão de posicionamento, custo dos equipamentos, entre outros critérios.

Embora se encontrem descrições de máquinas semelhantes a servomecanismos em literatura, que data dos tempos de Leonardo DaVinci , só no século XIX, quando da revolução industrial, se implementaram os servomecanismos na indústria. Um dos primeiros sistemas existentes documentado foi o motor a vapor (de James Watt) com controle de velocidade. Este controle é assegurado por um regulador centrífugo (ainda presente em muitos sistemas atuais, como freios de emergência de elevadores.

Este regulador centrífugo atua sobre as válvulas de comando do motor a vapor, sendo esta atuação proporcional à velocidade de rotação do seu eixo. Deste modo, se este eixo rodar em concordância com o eixo de saída do motor, a atuação nas válvulas é proporcional à velocidade de rotação do motor. Figura 2 - Esquema de funcionamento do motor a vapor de água com controle de velocidade

Figura 3- Imagem de motor a vapor de água com controlo de velocidade

Têm-se reunidas todas as características necessárias para classificar este mecanismo como um servomecanismo: A fonte de potência (pressão do vapor de água); O atuador (motor de James Watt); Os moduladores (as válvulas); Sistema de feedback e atuação dos moduladores em função desta realimentação (regulador centrífugo).

Outra das primeiras aplicações de relevo de servomecanismos foi o controle de direção dos navios, também este de acionamento a vapor de água. Este sistema foi pela primeira vez implementado no navio SS Great Eastern, o maior e mais avançado da sua época (1866). A passagem de acionamento manual, para um acionamento auxiliado pelo poder da pressão do vapor de água, permitiu muito maior manobrabilidade e rapidez de resposta ao comando manual do capitão.

Servomecanismos são sistemas de controle destinados a alcançar um comando de quantidade mecânica precisa (posição, orientação, velocidade, aceleração etc.). Um exemplo de aplicação de servo mecanismo é o cabeçote de uma impressora. O sistema eletrônico da impressora controla a posição do cabeçote, fazendo com que essa atinja uma posição definida dependendo da figura a ser impressa, que pode variar de acordo com o que desejamos imprimir, sem previsão.

Caso não houvesse um servomecanismo, não garantiríamos uma posição exata de onde o cabeçote está com relação à posição para qual esse foi comandado e nesse caso, não garantiríamos que a impressão ficaria sem distorções.

Figura 4 - Aplicaçao de servomecanismos numa impressora

Outro exemplo de aplicação de servo mecanismo são os acionamentos de discos rígidos de computadores (HDs). Os HDs mais antigos utilizavam motores de rotações por minuto, enquanto que atualmente são utilizados motores de 5.400, ou RPM. Nos HDs de notebook ainda são comuns motores de RPM, mas os de RPM já são maioria.

Embora não seja o único, a velocidade de rotação é sem dúvida o fator que influencia mais diretamente no desempenho de um HD. Para ler e gravar dados no disco, são usadas cabeças de leitura eletromagnéticas (heads) que são presas a um braço móvel (arm), o que permite seu acesso a todo o disco. O braço de leitura é uma peça triangular, também feita de ligas de alumínio, para que seja ao mesmo tempo leve e resistente. O mecanismo que movimenta o braço de leitura é chamado de actuator. A Figura 5 ilustra o servomecanismo existente em um HD.

Figura 5 - Exemplo de aplicações de servomecanismos na informática

Para que o HD possa posicionar a cabeça de leitura sobre a área exata referente à trilha que vai ser lida, existem sinais de feedback gravados na superfícies do disco, que orientam o posicionamento da cabeça de leitura. Eles são sinais magnéticos especiais, gravados durante a fabricação dos discos (a famosa formatação física), que são protegidos através de instruções de bloqueio incluídas no firmware do HD contra alteração posterior. Esses sinais eliminam os problemas de desalinhamento que existiam nos primeiros HDs.

Ao ler um arquivo, a controladora posiciona a cabeça de leitura sobre a trilha onde está o primeiro setor referente a ele e espera que o disco gire até o setor correto. Este tempo inicial, necessário para iniciar a leitura, é chamado de tempo de acesso, e mesmo os HDs atuais de RPM fica em torno de 12 milésimos de segundo, o que é uma eternidade em se tratando de tempo computacional.

Outro dado interessante é a maneira como as cabeças de leitura lêem os dados, sem tocar na camada magnética. Se você tiver a oportunidade de ver um disco rígido aberto, verá que, com os discos parados, as cabeças de leitura são pressionadas levemente em direção ao disco, tocando-o com uma certa pressão.

Veja que mesmo sem o disco magnético entre elas, as duas cabeças de leitura (Fig. 6) pressionam-se mutuamente: Figura 6 – Cabeças de leitura de um HD.

ELEMENTOS BASICOS DE UM SERVOMECANISMO
Para que o objetivo de um comando variável de quantidade mecânica possa ser atingido, são necessários alguns elementos, sem os quais não podemos ter um servomecanismo. Para garantir o seguimento da posição desejada (referência) são necessários elementos básicos como: 1. Controlador: a partir do sinal de erro (diferença entre a posição desejada e a real), um sinal de comando (controle) é sintetizada de maneira a levar o sistema mecânico a posição desejada.

ELEMENTOS BASICOS DE UM SERVOMECANISMO
2. Atuador: deve converter o sinal proveniente do controlador em um movimento mecânico (em geral um motor). 3. Sistema mecânico: conjunto de engrenagens, eixos de translação, molas, etc. 4. Sensor de posição: elemento responsável por re-injetar no controlador, dados que exprimem resultados exatos ou derivados da grandeza/quantidade mecânica controlada (e.g., sensor de posição digital do tipo encoder).

Diagrama de um servomecanismo

Aplicação em sistemas. Ilustração de um Sistema de Rastreamento de Míssil

Aplicação em sistemas Diagrama de bloco de um sistema de rastreamento por amostragem do sinal:

Aplicação em sistemas na Industria
Na indústria é usual a aplicação de servomecanismos para controlar o movimento de máquinas ferramenta, robôs industriais, máquinas de conformação plástica, etc. Para tal, é conveniente que os controladores usados nestas tarefas sejam robustos à presença de não linearidades, perturbações exteriores, incertezas paramétricas e dinâmicas não modeladas no sistema a controlar.

Aplicação em sistemas Com o passar dos anos, e à medida que a tecnologia avançou, foi sendo necessária uma melhor prestação dos servomecanismos. Atualmente, espera-se dos servomecanismos uma precisão e fiabilidade impensáveis nos primórdios da sua existência. Na indústria requerem-se sequencias de produção elevadas e tolerâncias apertadas. Com esta exigência crescente põem-se novas questões, em termos de controle dos sistemas existentes.

A Figura 7a apresenta uma instalação pneumática para ensaios de fadiga na indústria automóvel e a Fig, 7b apresenta uma prensa de chapa metálica de acionamento hidráulico. Cada um destes sistemas é composto por diversos servomecanismos, para poderem executar as tarefas a que são destinados com precisão. (b) (a) Figura 7 - Exemplos de aplicações de servomecanismos na indústria

Máquina CNC (Comando Numerico Computadorizado)
A Fig. 8 apresenta um torno Universal convencional. Permite usinar peças com geometria de revolução. Operam fazendo girar a peça a usinar, presa em um cabeçote ou fixada entre os contra pontos de centragem. Figura 8 - Torno Universal convencional

A fixação no cabeçote se dá através das placas com castanhas, podendo ser de três castanhas (autocentrantes – indicadas para seções circulares) ou 4 castanhas (indicadas para seções quadradas). Após a peça estar fixada, a operação de usinagem ocorre quando as ferramentas de corte são pressionadas sobre sua superfície, retirando a quantidade de material designada no projeto. As peças mais comuns feitas em tornos universais são eixos, polias, roscas, pinos, peças cilíndricas entre outros variados formatos.

O princípio de funcionamento consta de três movimentos: movimento transversal de ferramenta, a rotação da peça e movimento longitudinal de avanço. Para atuar na redução do diâmetro, o movimento de avanço da ferramenta deve se dar ao longo da peça. Por outro lado, caso queria avançar na direção do centro da peça (radial), significa que a peça será faceada. Frequentemente, são combinações dessas duas direções, resultando em superfícies cônicas ou curvas. Outras operações possíveis são torneamento interno, sangramento, rosqueamento e recartilhamento. A Fig. 9 ilustra essas operações.

(b) (c) Figura 9 – (a) torneamento externo; (b) torneamento interno; (c) sangramento; (d) faceamento; (e) rosqueamento

Figura 10 – Visualização dos Parâmetros de Corte manual

A sigla CNC significa Computer Numeric Control ou em português controle numérico computadorizado. É um controlador numérico que permite o controle de máquinas, permitindo o controle simultâneo de vários eixos, através de uma lista de movimentos escritos num código específico (código G). O sistema de linguagem ISO, também conhecido como Linguagem de Código G, é a forma que se utiliza para escrever os programas de usinagem CNC, ou seja, é por meio dessa linguagem de programação que as máquinas CNC entendem os comandos e as coordenadas para executar a usinagem de peças. Foi desenvolvido no início da década de 1960 pela EIA (Electronic Industries Alliance), e uma revisão final foi aprovada em fevereiro de 1980 como RS-274D.

A introdução do CNC na indústria mudou radicalmente os processos industriais. Curvas são facilmente cortadas, complexas estruturas com 3 dimensões tornam-se relativamente fáceis de produzir e o número de passos no processo com intervenção de operadores humanos, é drasticamente reduzido. Uma máquina ferramenta CNC é composta basicamente por: Unidade de comando (onde está armazenado todo o software usado e onde são processados todos os cálculos do sistema); Máquina propriamente dita (estrutura e cadeia cinemática); Acionamentos (servomecanismo) responsáveis pelos movimentos dos eixos; Sensores e atuadores (medidores de posição e velocidade).

Figura 11 – Máquina Ferramenta CNC

Figura 12 – Diagrama em bloco de uma Máquina Ferramenta CNC

Regulação de Posição A função principal de um comando numérico é comandar e regular os acionamentos dos eixos. Esta tarefa é assumida pelo controle de posição. Existe para cada eixo numericamente controlado um controle de posição, que fornece na saída um valor de referência de avanço ao regulador de velocidade que corresponde ao valor programado de velocidade de avanço. O regulador de velocidade (com auxilio do regulador de corrente) age no sentido de estabelecer e manter exatamente este valor de referência de velocidade. Esta velocidade será fornecida até que o controle de posição não tenha mais diferença entre o valor de referência de posição e o valor real, ou seja, a posição foi alcançada.

Regulação de Posição A determinação da velocidade é feita com auxílio de um tacômetro de corrente contínua (para acionamentos CC) ou corrente alternada (para acionamentos CA) acoplados ao eixo do motor. O valor real de posição é fornecido pela malha de medição que processa os sinais do sensor de posição (por exemplo, de um resolver). A rotina de interpolação fornece os incrementos por ciclo correspondente à velocidade programada. Os pontos de apoio correspondente para a interpolação estão no contorno programado. Estes valores de referência parciais serão somados e resultam no valor de referência de posição (serão consideradas as alterações de velocidade de aproximação e frenagem).

Regulação de Posição Do sensor de posição da máquina (por exemplo, um resolver) será fornecido ao comando, através de cabos blindados, um sinal de medição (um circuito eletrônico), que se ocupa da avaliação deste “sinal de erro” e pela alimentação do sensor de posição. O sinal de erro será transformado em impulsos (onde um impulso corresponde a um incremento de deslocamento), que serão contados considerando-se o sentido de deslocamento. No término de um ciclo o regulador de posição pega este valor real parcial, apaga em seguida o contador de impulsos. Este valor real parcial será da mesma forma somado e resulta na posição real.

Regulação de Posição Da posição real e posição desejada é feita à diferença, o arraste, este nome provém do deslocamento atrasado da parte mecânica da instalação (o valor real da máquina) em relação à parte eletrônica (valor de referência de deslocamento). O arraste será multiplicado pelo fator KV e, eventualmente, por um fator de multiplicação e colocado na saída como velocidade de avanço.

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