Automação Industrial, Notas de estudo de Tecnologia Industrial

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Automação

Industrial

Prof.: Antonio Jose R S Cruz

8 de março de 2010

Sumário

• 1 CONCEITOS BÁSICOS DE AUTOMAÇÃO
  • 1.1 Comando
  • 1.2 Sinais
  • 1.3 Elementos de comando
  • 1.4 Atuadores
• 2 TRANSDUTORES E SENSORES
• 3 PNEUMÁTICA:
  • 3.1 Vantagens:
  • 3.2 Desvantagens:
  • 3.3 Fundamentos físicos:
    • 3.3.1 Fluidos:
    • 3.3.2 Força e pressão:
    • 3.3.3 Propriedades do ar:
    • 3.3.4 Efeitos do calor sobre o ar:
  • 3.4 Transferência de energia para o fluido
    • 3.4.1 Geração de pressão
      • 3.4.1.1 Tipos de compressores:
      • 3.4.1.2 Preparação do ar comprimido
    • 3.4.2 Tubulação:
  • 3.5 Atuadores:
    • 3.5.1 Atuador Linear:
    • 3.5.2 Atuador rotativo:
  • 3.6 Válvulas
• 4 CIRCUITOS PNEUMÁTICOS
  • 4.1 Simbologia
    • 4.1.1 Válvulas direcionais
      • 4.1.1.1 Acionamentos
    • 4.1.2 Fonte de pressão
  • 4.2 Comandos pneumáticos básicos
    • 4.2.1 Comando de um cilindro de simples ação(comando direto)
      • 4.2.1.1 Comando alternativo(direto) SUMÁRIO SUMÁRIO
      • 4.2.1.2 Comando simultâneo(direto)
    • 4.2.2 Comando de um cilindro de dupla ação(comando direto)
  • 4.3 Comando indireto
  • 4.4 Controle de velocidade
    • 4.4.1 Cilindros de simples ação:
    • 4.4.2 Cilindros de dupla ação
• 5 ELETROPNEUMÁTICA
  • 5.1 Elementos de entrada de sinal
    • 5.1.1 Botões de comando:
  • 5.2 Elementos de processamento de sinal
    • 5.2.1 Relés
    • 5.2.2 Válvulas direcionais acionamento elétrico
  • 5.3 Comandos eletropneumáticos básicos
    • 5.3.1 Comando de um cilindro de simples ação
    • 5.3.2 Comando de um cilindro de dupla ação
• 6 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL - CLP
  • 6.1 Módulos de entrada:
  • 6.2 Módulos de saída:
  • 6.3 CPU
  • 6.4 Dispositivos de Programação e leitura:
  • 6.5 Programação
    • 6.5.1 Linguagem Ladder - Ladder Diagram(LD)
• 7 HIDRÁULICA
  • 7.1 Fluido hidráulico
    • 7.1.1 Viscosidade e índice de viscosidade
  • 7.2 Geração de vazão hidráulica
    • 7.2.1 Bombas hidráulicas
• 8 COMANDOS HIDRÁULICOS BÁSICOS
  • 8.1 Comando de um cilindro de simples ação
  • 8.2 Comando de um cilindro de dupla ação
    • 8.2.1 Com válvula direcional 4/2
    • 8.2.2 Com válvula direcional 4/3
• 9 Comando Numérico Computadorizado
  • 9.1 Introdução:
  • 9.2 Histórico:
  • 9.3 O que é o Comando Numérico Computadorizado?
  • 9.4 Tipos de equipamento de usinagem com CNC
  • 9.5 Programação e Operação:
  • 9.6 Os Eixos nas Máquinas CNC:
  • 9.7 Regra da mão direita:
  • 9.8 Coordenadas:
    • 9.8.1 Sistema de Coordenadas absolutas:
    • 9.8.2 Sistema de Coordenadas Incrementais:
    • 9.8.3 Pontos de Referência:
      • 9.8.3.1 Ponto Zero Máquina: M
      • 9.8.3.2 Ponto de Referência:R
      • 9.8.3.3 Ponto de Referência da Ferramenta:F
      • 9.8.3.4 Ponto Zero da Peça: W
      • 9.8.3.5 Ponto da Ferramenta: P
    • 9.8.4 Programa CN
      • 9.8.4.1 Estrutura do Programa:
      • 9.8.4.2 Funções:
      • 9.8.4.3 Tipos de funções:
• 10 ROBÓTICA
  • 10.1 Robôs manipuladores
  • 10.2 Estruturas dos Robôs Manipuladores
  • 10.3 Graus de liberdade
  • 10.4 Espaço de trabalho

INTRODUÇÃO

A competitividade do mercado mundial imposta pela globalização tem obri- gado as empresas a uma constante busca pela qualidade e produtividade. Isto leva a procura por soluções tecnológicas com o objetivo de melhorar qualitativa- mente e quantitativamente a produção. É neste contexto que a automação surge como uma das principais soluções. Hoje tornou-se parte da rotina industrial, máquinas automáticas que não só substituem a força muscular do homem como possuem a capacidade de decidir e corrigir seus erros. Dentre os argumentos em favor da automação podemos citar:

∙ a substituição do ser humano em tarefas de alto risco e sujeitas a intoxi- cações, radiações e etc..;

∙ a substituição do ser humano em tarefas repetitivas e cansativas por longos períodos que levam à fadiga física e psicológica;

∙ a garantia da qualidade principalmente em operações complexas e de alta precisão;

∙ a fácil modificação das seqüências de operações através da utilização de programas.

AUTOMAÇÃO é um sistema de equipamentos eletrônicos e/ou mecânicos que controlam seu próprio funcionamento, quase sem a intervenção do homem. Automação é diferente de mecanização. A mecanização consiste simplesmente no uso de máquinas para realizar um trabalho, substituindo assim o esforço físico do homem. Já a automação possibilita fazer um trabalho por meio de máquinas controladas automaticamente. Automação é o conjunto das técnicas baseadas em máquinas e programas com objetivo de executar tarefas previamente programadas pelo homem e de controlar seqüências de operações sem a intervenção humana.

computadores são o alicerce de toda a tecnologia da automação. A origem do computador está relacionada à necessidade de automatizar cálculos, evidenci- ado inicialmente no uso de ábacos pelos babilônios, entre 2000 e 3000 a.C. Em seguida veio a régua de cálculo e, posteriormente, a máquina aritmética, que efetuava somas e subtrações por transmissões de engrenagens. George Boole desenvolveu a álgebra booleana, que contém os princípios binários, posteriormente aplicados às operações internas de computadores. Em 1880, Herman Hollerith criou um novo método, baseado na utilização de cartões perfurados, para automatizar algumas tarefas de tabulação do censo norte-americano. Os resultados do censo, que antes demoravam mais de dez anos para serem tabulados, foram obtidos em apenas seis semanas! O êxito in- tensificou o uso desta máquina que, por sua vez, norteou a criação da máquina IBM, bastante parecida com o computador. Em 1946, foi desenvolvido o primeiro computador de grande porte, completa- mente eletrônico. O Eniac, como foi chamado, ocupava mais de 180푚^2 e pesava 30 toneladas. Funcionava com válvulas e relês que consumiam 150.000 watts de potência para realizar cerca de 5.000 cálculos aritméticos por segundo. Esta invenção caracterizou o que seria a primeira geração de computadores, que uti- lizava tecnologia de válvulas eletrônicas. A segunda geração de computadores é marcada pelo uso de transistores(1952). Estes componentes não precisam se aquecer para funcionar, consomem menos energia e são mais confiáveis. Seu tamanho era cem vezes menor que o de uma válvula, permitindo que os computadores ocupassem muito menos espaço. Com o desenvolvimento tecnológico, foi possível colocar milhares de transistores numa pastilha de silício de 1푐푚^2 , o que resultou no circuito integrado (CI). Os CIs deram origem à terceira geração de computadores, com redução significativa de tamanho e aumento da capacidade de processamento. Em 1975, surgiram os circuitos integrados em escala muito grande (VLSI). Os chamados chips constituíram a quarta geração de computadores. Foram en- tão criados os computadores pessoais, de tamanho reduzido e baixo custo de fabricação.

CAD/CAE/CAM

Nos anos 50, surge a idéia da computação gráfica interativa: forma de entrada de dados por meio de símbolos gráficos com respostas em tempo real. O MIT(Instituto Tecnológico de Massachusetts) produziu figuras simples por meio da interface de tubo de raios catódicos(idêntico ao tubo de imagem de um televisor) com um computador. Em 1959, a GM começou a explorar a com- putação gráfica. A década de 60 foi o período mais crítico das pesquisas na área de computação gráfica interativa. Na época, o grande passo da pesquisa foi o desenvolvimento do sistema sketchpad, que tornou possível criar desenhos e alterações de objetos de maneira interativa, num tubo de raios catódicos.

No início dos anos 60, o termo CAD (do inglês Computer Aided Design ou “Pro- jeto Auxiliado por Computador") começou a ser utilizado para indicar os sistemas gráficos orientados para projetos. Nos anos 70, as pesquisas desenvolvidas na década anterior começaram a dar frutos. Setores governamentais e industriais passaram a reconhecer a importân- cia da computação gráfica como forma de aumentar a produtividade. Na década de 80, as pesquisas visaram à integração e/ou automatização dos diversos elementos de projeto e manufatura com o objetivo de criar a fábrica do futuro. O foco das pesquisas foi expandir os sistemas CAD/CAM (Projeto e Ma- nufatura Auxiliados por Computador). Desenvolveu-se também o modelamento geométrico tridimensional com mais aplicações de engenharia (CAE - Engenharia Auxiliada por Computador). Alguns exemplos dessas

Figura 2: Autodesk Inventor R

aplicações são a análise e simulação de mecanismos, o projeto e análise de in- jeção de moldes e a aplicação do método dos elementos fini- tos. Hoje, os conceitos de inte- gração total do ambiente pro- dutivo com o uso dos sis- temas de comunicação de dados e novas técnicas de gerenciamento estão se dis- seminando rapidamente. O CIM (Manufatura Integrada por Computador) já é uma realidade.

tamento do sistema, este não teria como avaliar se a instrução foi executada corretamente. O comando continuaria a enviar as informações de saída baseado somente nas informações de entrada.

Figura 1.2: malha aberta

No comando em em malha fechada a variável controlada deve estar em torno de um valor previamente estabelecido. Neste tipo, as informações de saída não dependem só da construção interna do comando mas também das informações vindas do elemento comandado as quais são comparadas com as informações de entrada e se for necessário é feita a correção. Este tipo de comando é mais comum em controle de processos.

Figura 1.3: malha fechada

1.2 Sinais

Sinal pode ser definido como a representação de informações em forma de um valor ou uma curva de valores de uma grandeza física. Assim, se a grandeza for a corrente elétrica teremos um sinal elétrico, se for a pressão de um fluido temos os sinais pneumáticos ou hidráulicos. Se for a lu- minosidade teremos um sinal óptico e etc.. O sinal pode ser classificado quanto a forma como essas informações são repre- sentadas. Assim temos:

∙ Sinal analógico; O sinal analógico é aquele que representa de forma contínua uma determi- nada faixa de valores da grandeza física. Exemplo: pressão, temperatura, força, etc..

Figura 1.4: Sinal analógico.

∙ Sinal digital. O sinal digital é aquele onde somente dois valores são representados.São designados genericamente de 0 e 1. Exemplos: Embora as grandezas físicas não correspondam a este compor- tamento podemos ter algumas situações como a presença ou não de um objeto em determinado local ou um botão pressionado ou não, desligado ou ligado.

Figura 1.5: Sinal digital.

1.4 Atuadores

Os elementos comandados são os atuadores. Neste grupo, estão:

∙ atuadores com acionamento linear:

- cilindros: pneumáticos, hidráulicos e elétricos; - motores lineares

∙ atuadores com acionamento rotativo:

- motores: ∗ pneumáticos; ∗ hidráulicos; ∗ elétricos - cilindros giratórios

CAPÍTULO 2

TRANSDUTORES E SENSORES

Um transdutor é um dispositivo que recebe um sinal de entrada na forma de uma grandeza física e fornece um sinal de saída da mesma espécie ou diferente. Em geral, os transdutores transformam a informação da grandeza física, que corresponde ao sinal de entrada, em um sinal elétrico de saída. Por exemplo, um transdutor de pressão transforma a força exercida pela pressão numa ten- são elétrica proporcional à pressão. O sensor é a parte sensitiva do transdutor a qual, na maioria das vezes, se com- pleta com um circuito eletrônico para a geração do sinal elétrico que depende do nível de energia da grandeza física que afeta o sensor. Ainda com relação ao exemplo do transdutor de pressão, o sensor seria apenas a membrana(diafragma) sobre a qual é exercida a pressão que se está monitorando. Mas, o termo Sensor é usado como sendo o mesmo que Transdutor. Assim, adotaremos também esta postura no texto que se segue. De acordo com o exposto, os sensores são como os órgãos dos sentidos dos sis- temas de automação.

Figura 2.1: Os sensores transformam os efeitos físicos em sinais de saída.

Podemos classificar os diversos tipos de sensores de acordo com sua apli- cação. Assim temos:

(b) DE PROXIMIDADE OU SEM CONTATO FÍSICO: Os sensores de presença de proximidade tem as seguintes vantagens em relação aos mecânicos:

∙ Não necessitam de energia mecânica para operar; ∙ Atuam por aproximação, sem contato físico com a peça; ∙ São totalmente vedados; ∙ Funcionam com altas velocidades de comutação; ∙ são imunes a vibrações e choques mecânicos. Por não possuírem peças móveis estes sensores têm a grande vantagem de não sofrer desgaste mecânico. i. SENSORES MAGNÉTICOS: O tipo mais comum é o interruptor de lâminas ou reed-switch. É constituído por lâminas dentro de um bulbo de vidro que contem gás inerte. Quando um campo magnético de um ímã ou de um eletroímã atua sobre as lâminas, magnetizando-as, as lâminas são unidas fechando o circuito.

Figura 2.3: Sensor magnético (a)Tipo NA, (b) Tipo NA/NF

(^1) O termo CURSO, neste caso, significa trajeto ou caminho.

ii. SENSORES CAPACITIVOS: O capacitor é um componente eletrônico composto de duas placas metálicas, colocadas uma sobre a outra e isoladas eletricamente, capaz de armazenar cargas elétricas. O isolante é chamado de dielétrico. A característica que define um capacitor é sua capaci- tância. A capacitância é diretamente proporcional à área das placas e da constante dielétrica do material isolante e inversamente pro- porcional à distância entre as placas. O sensor capacitivo também possui duas placas mas estas ficam uma ao lado da outra e não uma sobre a outra como no capacitor. O dielétrico do sensor capacitivo é o ar cuja constante dielétrica é 1 (um). Quando um objeto, que possui constante dielétrica diferente, aproxima-se provoca a variação da sua capacitância. Um circuito de controle detecta essa variação e processa essa in- formação.

Figura 2.4: Sensor capacitivo

iv. SENSORES ÓPTICOS: Os sensores ópticos baseiam-se na emissão e recepção de luz que pode ser interrompida ou refletida pelo objeto a ser detectado. Existe três formas de operação: A. SENSOR ÓPTICO POR BARREIRA: O transmissor e o receptor estão em unidades distintas e devem ser dispostos um frente ao outro, de modo que o receptor possa constantemente receber a luz do transmissor. acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper o feixe de luz.

Figura 2.6: Sensor óptico por barreira.

B. SENSOR ÓPTICO POR DIFUSÃO:

Neste sistema o transmissor e o receptor são montados na mesma unidade. Sendo que o acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado entra na região de sensibilidade e reflete para o receptor o feixe de luz emitido pelo transmissor.

Figura 2.7: Sensor Óptico Por Difusão