Tecnologia_em_Automacao_Industrial_Ensin

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CONTRA CAPA
Magna Campos
(ORG.)
Tecnologia em Automação
Industrial:
Ensino e prática
1ª edição
Mariana,
2016
FICHA CATALOGRÁFICA
* A revisão textual é de responsabilidade dos autores de cada capítulo do
livro.
CAMPOS, Magna (org.).
Magna Campos (org.). Tecnologia Automação Industrial:
ensino e prática. 1ª edição. Mariana: Edição do Autor, 2016. 218p.
Capa e diagramação: M. Bastos
ISBN: 978-85-918919-5-5
Coletânea de projetos que relacionam ensino e prática no curso de
Tecnologia de Automação Industrial.
1. Tecnologia. 2. Automação. 3. Automação Industrial. 4. Ensino. 5. Prática. 6.
Metodologia de Pesquisa.
EPÍGRAFE
Dom Chico Chicote:
_ O mundo não é o que a gente vê.
O mundo é o que ele esconde.
. (Hoje é dia de Maria de Carlos
Alberto Soffredini)
Tudo no mundo está dando
respostas, o que demora é o tempo
das perguntas.
(Memorial do Convento de José
Saramago)
SUMÁRIO
PREFÁCIO 10
FABRICAÇÃO DE CERVEJA ARTESANAL CASEIRA: CONTROLE DA TEMPERATURA
NA BRASSAGEM 12
Marcelo Sampaio Rocha
Coautoria Magna Campos
RESUMO: 12
INTRODUÇÃO 12
2. SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO VOLTADOS PARA CONTROLE DE TEMPERATURA E
RECIRCULAÇÃO 14
2.1 Controle de temperatura 15
2.1.1 Recirculação 16
2.1.2 Aplicação 16
2.2 A automação da Recirculação como fator de controle de temperatura e
beneficiamento 17
3. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE CERVEJA 18
3.1 Matéria-prima 18
3.1.1 Água 18
3.1.2 Malte 18
3.1.3 Lúpulo 19
3.1.4 Fermento Cervejeiro 19
3.2 Processo de Fabricação 19
3.2.1 Maltagem 20
3.2.2 Moagem 20
3.2.3 Mosturação 20
3.2.4 Parada Proteica (Protease) 21
3.2.5 Beta-Amilase 22
3.2.6 Alfa-Amilase 22
3.2.7 Mash-out (Inativação das Enzimas) 22
3.3 Clarificação 22
3.4 Fervura 23
3.5 Resfriamento 23
3.6 Fermentação 24
3.7 Término da fermentação 25
3.8 Maturação 26
3.9 Envase 26
4. CRIAÇÃO DO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO DE UM CIRCUITO COMPLETO DE
CONTROLE DE TEMPERATURA NA BRASSAGEM 26
4.1 Componentes para o projeto 27
4.1.1 Controlador lógico programável (CLP) 27
4.1.3 Resistência elétrica 28
4.1.4 Bomba de recirculação 28
4.1.5 Panela cervejeira com filtro para malte 29
4.2 Lógica de programação 30
4.2.1 Blocos de Função (FB) 30
4.2.2 Blocos e componentes lógicos 31
4.2.3 A lógica de controle de temperatura e recirculação 36
CONSIDERAÇÕES FINAIS 38
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 40
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL: CONSTRUÇÃO DE UM BRAÇO ROBÓTICO UTILIZANDO
SERVOMOTORES CONTROLADOS POR ARDUINO 42
Demétrius Rodrigues
Coautoria Magna Campos
RESUMO 42
INTRODUÇÃO 43
2. AUTOMAÇÃO E SERVOMOTORES 45
2.1 Estrutura robótica 46
2.2 Sistema de controle 50
2.3 Potenciômetros e Botões 50
2.4 Servomotores 51
2.4.1Sistema Atuador: 52
2.4.2 Sensor: 52
2.4.3 Circuito de Controle: 52
2.5 Função de um servomotor 53
2.6 Funcionamento de um servomotor 54
3. ARDUÍNO E CIRCUITOS ELETRÔNICOS 58
3. 2 Conversor de usb para serial FTDI 59
3.3 Módulos reguladores de tensão 59
3.3.1 Circuito regulador de tensão de baixa corrente 59
3.3.2 Circuito regulador de tensão de alta corrente 60
3.4 Software Arduíno IDE 62
3.5 Código Utilizado 63
4. O BRAÇO ROBÓTICO CONSTRUÍDO 66
4.1 O desenho metodológico 66
ONSIDERAÇÕES FINAIS 74
REFERÊNCIAS 76
APÊNDICE A: PROGRAMAÇÃO DO ARDUINO 77
O COMPORTAMENTO FUNCIONAL DE UM CONTROLE LÓGICO PROGRAMÁVEL COM
ENTRADAS ANALÓGICAS: ANÁLISE PRÁTICA 90
Everaldo Luís Ribeiro da Cruz
Tayro Christian Borges
Wesley Ramos de Oliveira
Coautoria Magna Campos
RESUMO 90
INTRODUÇÃO 90
2. SOBRE CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS 92
2.1 História do Surgimento 92
2.2 Características e particularidades dos modelos existentes 95
2.2.1 CLP’s Nano e Micro 95
2.2.2 CLP’s de Médio Porte 96
2.2.3 CLP’s de Grande Porte 96
2.3 Aplicações dos CLP’s 96
3.0 CLP ANALÓGICOS E DIGITAIS 99
3.1. Foco no Modelo Específico Estudado 101
3.2. Vantagens e Desvantagens do Modelo Digital 112
3.2.1 As vantagens do Controlador Lógico Programável Digital: 112
3.2.2 As desvantagens do Controlador Lógico Programável Digital: 113
3.3. Vantagens e Desvantagens do Modelo Analógico 113
3.3.1 Vantagens que são encontradas nos controladores analógicos: 114
3.3.2 Desvantagens que são encontradas nos controladores analógicos: 114
3.4. Emprego de cada Um 115
3.5 Experimento: análise de um controle lógico programável com entrada analógica 116
3.5.1 Contextualizando o Produto Construído 116
3.5.2 As Entradas Digitais 118
3.5.2 Entradas Analógicas 119
3.5.3 Saídas Digitais 120
3.5.4 Processador com Conector de Gravação 121
3.5.5 Circuito de Comunicação para Supervisório 122
3.5.6 Elementos Empregados 124
3.5.6 Para o CLP 124
3.5.7 Instrumentos 125
3.5.8 Produto pronto e funcionamento 126
3.4. Análise do Funcionamento 130
CONSIDERAÇÕES FINAIS 133
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 135
AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL COM GERENCIAMENTO VIA TERMINAL WI-FI: UM
ESTUDO PILOTO 137
Angélica Cristina Perucci Corraide
Suellen Cristina Moraes
Coautoria Magna Campos
RESUMO 137
INTRODUÇÃO: 137
2. AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL 138
2.1 O que é Automação Residencial 138
2.2 Classificação da Automação Residencial 139
2.3 Aplicabilidade da Automação Residencial 140
2.4 Benefícios da Automação 140
2.5 Níveis Automação 141
3. GERENCIAMENTO DE SISTEMAS 142
3.1 Sistemas Domóticos 142
3.2 Controladores, Atuadores e Sensores 143
3.2.1 Controladores 144
3.2.2 Atuadores e Sensores 144
4. DOMÓTICA INTELIGENTE E GERENCIAMENTO POR WI-FI 145
4.1 Domótica Inteligente 145
4.2 O sistema wi-fi 145
4.3 Componentes Físicos e softwares 145
4.3.1 Arduíno 145
4.3.2 Arduíno Ethernet Shield 146
4.3.3 Software TouchOSC interface editor 147
4.3.4 Software Arduíno 148
5. IMPLEMENTAÇÃO DO PROJETO PILOTO 149
5.1 O Funcionamento 149
5.2 O projeto em execução 150
5.3 Criação da Interface Gráfica 151
5.4 Desenvolvimento do código 154
5.5 A Análise do projeto criado 5.5.1 Problemas encontrados 156
CONSIDERAÇÕES FINAIS 158
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 160
ANEXO 162
O USO DA AUTOMAÇÃO PARA O CONTROLE DE UMIDADE DE SOLO: UM ESTUDO
PILOTO 166
Diego Couto
Fabio Caldeira
Leonardo de Souza
Coautoria Magna Campos
RESUMO 166
INTRODUÇÃO 166
2. AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE UMIDADE 168
2.1 Automação industrial 168
2.2 Microcontroladores 169
2.2.1 Arduíno 171
2.2 Instrumentos de Medição 173
2.3 Medição de Nível 174
2.3.1 Medição de umidade 177
2.3.2 Medição de Fluxo 179
3. SISTEMA DE CONTROLE 181
3.1 Definições 181
3.2 Sistema Dinâmico 182
3.2.1 Sistema de Controle em Malha Aberta 183
3.2.2 Sistema de Controle em Malha Fechada 184
3.3 Resposta de Sistema de Controle 184
3.4 Métodos de Controle 185
3.4.1 Controle liga/Desliga 186
3.4.2 Controle Proporcional 187
3.4.3 Controle Proporcional Integral (PI) 187
3.4.4 Controle Proporcional Derivativo 188
3.4.5 Controle Proporcional Integral e Derivativo 190
3.4.6 Controle em cascata 190
3.4.7 Controle de Razão 192
3.4.8 Controle em Faixa Dividida 192
4. PROCEDIMENTOS DO PROJETO PILOTO 193
4.1 Construção dos requisitos em sistema físico 195
4.2 Diagrama do aparelho 197
4,3 Desenvolvimento do código 198
4.4 O dispositivo 199
4.5 Análise do Projeto 203
4.6 Testes com solo em 0% de umidade 205
4.7Testes com solo em 53% de umidade 206
4.8 Testes com solo em 77% de umidade 207
4.9 Testes utilizando atuador externo 208
CONSIDERAÇÕES FINAIS: 209
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 212
ANEXO A: 213
10
PREFÁCIO
A docência no Ensino Superior, especialmente nos recentes cursos
de tecnólogos, é um desafio à reinvenção de uma metodologia que, ao
mesmo tempo em que dê conta de trabalhar a ciência de uma área, sua
interdisciplinaridade e as questões de formação profissional, consiga
também, na prática, não se ser reduzida apenas às questões técnicas, tendo
em vista o tempo menor de duração dos cursos em relação aos cursos de
bacharelado e de licenciatura.
Sendo assim, metodologias mais ativas e capazes de trabalhar a
formação conceitual e profissional dos graduandos são cada vez mais
necessárias ao desenvolvimento das competências e habilidades desejáveis
aos cursos. Tais metodologias de ensino e de aprendizagem precisam
abranger técnicas, métodos e estratégias focadas na aprendizagem, no
sabere no saber-fazer, com propostas voltadas para a prática.
Um momento importante para se realizar essa interconexão do saber
com o saber-fazer é, sem dúvida, na elaboração dos Trabalhos de Conclusão
de Curso. Neste caso, o/a orientador/a precisa estar atento em ser para o
aluno um provocador de reflexões e do desejo de buscar respostas para
questões problemáticas com aplicação prática para serem investigadas, tanto
teórica quanto empiricamente.
E é neste contexto que este livro seleciona alguns dos trabalhos
desenvolvidos por alunos concluintes do curso de Tecnologia da Automação
Industrial, da Faculdade Adjetivo-CETEP, para compor uma coletânea de
projetos bem-sucedidos de aplicação de conhecimentos na área de
tecnologia.
11
Tive a satisfação e o desafio de orientar, entre os anos de 2015 e
2016, todos os trabalhos aqui relatados, ainda que eu não tivesse formação
acadêmica na área tecnológica. Entretanto, como professora do curso na
área de Metodologia de Pesquisa e de Linguagem e, tendo em vista ter sido
a orientadora escolhida, consegui – com o apoio obstinado e constante de
todos os orientandos envolvidos – traçar com eles roteiros de pesquisa e
perguntas norteadoras, para as quais, quando o conhecimento da área
específica de tecnologia me faltava, souberam buscar respostas em livros,
em aulas do curso ou com outros colegas específicos da área.
E conseguimos também elaborar outras questões técnicas ou
metodológicas que nos fizeram ir muito além do que está exposto nas
páginas deste livro. Especialmente, para esses alunos, foi possível, como
muitos relataram ao longo do trabalho, ressignificar e relacionar conteúdos
aprendidos nas disciplinas do curso, ganhar mais autonomia intelectual,
explorar a criatividade na criação e execução dos projetos tecnológicos e
vislumbrar mais de perto a aplicação profissional dos conhecimentos
construídos.
Ms. Magna Campos
(Mestre em Letras, professora universitária e escritora)
12
FABRICAÇÃO DE CERVEJA ARTESANAL CASEIRA: CONTROLE
DA TEMPERATURA NA BRASSAGEM1
Marcelo Sampaio Rocha2
Coautoria Magna Campos
Mas pra quem tem pensamento forte,
O impossível é só questão de opinião.
(Chorão e Thiago Castanho)
RESUMO:
Esse trabalho tem objetivo de demonstrar uma maneira de melhorar o controle de
temperatura durante a fabricação caseira de cerveja. Durante a etapa de brassagem, a
temperatura correta é determinante para fabricar a cerveja dentro dos parâmetros
pretendidos. Os cervejeiros caseiros monitoram essa etapa com muita atenção, pois
temperaturas fora das especificadas geram defeitos ou até mesmo a perda da produção.
Neste sentido, foi realizado, na etapa de prática da pesquisa, o desenvolvimento de um
circuito para controle de temperatura e de recirculação de materiais, empregando os
conhecimentos desenvolvidos no curso de Tecnologia Automação Industrial. Este trabalho
demonstra uma maneira automatizada de controlar a temperatura e recirculação na
fabricação de pequenas quantidades de cerveja, sem erros e de maneira prática e fácil.
PALAVRAS-CHAVE: Cerveja Caseira, Cerveja Artesanal, Automação, Controle,
Recirculação e Temperatura.
INTRODUÇÃO
A prática de misturar malte, levedura, lúpulo e água e fabricar a própria
cerveja está em crescendo no Brasil. Criar sua própria cerveja com aspectos
e particularidades únicas pode levar o hobby a torna-se fonte renda. Mas
para os cervejeiros caseiros que só querem produzir a melhor cerveja do
mundo, em menor quantidade, sofrem com alguns problemas em repetir suas
receitas. Dois cervejeiros que fabriquem a mesma receita, nunca terão os
1 Capítulo adaptado a partir de TCC orientado pela Profª. Ms. Magna Campos, na Faculdade
Adjetivo-CETEP, em 2015.
2 Tecnólogo em Automação Industrial e cervejeiro artesanal.
13
mesmos resultados. O mesmo cervejeiro que repete uma receita consegue
perceber as diferença entre elas. Por mais gratificante de que seja produzir a
própria cerveja, o ideal é conseguir repetir as receitas e alcançar resultados
iguais ou muito próximos.
Neste sentido, este trabalho se propõe a responder à seguinte
problemática, como a automatização do sistema de controle de temperatura
e de recirculação do líquido na produção de cerveja artesanal pode melhorar
a qualidade do produto final?
Mas para tal intento, é preciso saber que essa automatização
trabalhará especificamente com a etapa de brasagem, na fabricação de
cerveja, sendo que
a etapa de brassagem tem como objetivo principal a transformação do amido
do malte de cevada em açúcares menores e fermentáveis. Nesta etapa,
também são extraídos diversos nutrientes, minerais e proteínas dos grãos.
Isto confere ao mosto resultante todas as características nutricionais
necessárias para que posteriormente seja consumido pelas leveduras e,
assim, gerado o álcool e os sabores resultantes da cerveja. O processo
consiste na maceração dos grãos em água morna com a manutenção de
diferentes degraus e rampas de temperatura. O seu funcionamento se dá em
quatro funções principais: hidratação do malte, gelatinização de seus amidos,
liberação de suas enzimas naturais e conversão dos amidos em açúcares
fermentáveis. O malte moído despejado em água morna ou quente para que
haja a hidratação. A mistura resultante é então estabilizada em diferentes
patamares de temperatura para que as outras funções sejam cumpridas.
(TOSTES, 2015, p. 5)
Conseguir alguma maneira de repetir os passos de uma brassagem
é algo desafiador. Este trabalho apresenta como objetivo de pesquisa
investigar uma maneira de padronizar o controle da temperatura durante a
etapa de brasagem, e, assim, estudar processos parecidos e criar uma
maneira automatizada e padronizada de fazer este controle.
Assim, apresenta a hipótese de que é possível desenvolver um
mecanismo capaz de controlar a temperatura e promover a circulação do
14
líquido da cerveja com materiais de baixo custo e que operem como os
mecanismos comerciais.
O trabalho justifica-se porque segundo a Associação Brasileira da
Indústria da Cerveja (CERVBRASIL) o setor contribui com 1,6% do PIB
nacional e gerando 2,2 milhões de empregos. E as cervejas artesanais,
mesmo sendo um nicho menor do mercado, procuram oferecer mais estilos e
qualidade. Quando o cervejeiro caseiro tem um estilo preferido ele procura
consumi-lo e aventurar-se na fabricação do mesmo. Procurando sempre
melhorar e criar detalhes únicos na sua receita.
Este trabalho aborda no capítulo 1, algumas referências sobre
controle de temperatura em outros processos. Norteando o caso estudado.
No capitulo 2, o processo de fabricação de cerveja será detalhando,
permitindo entender melhor a necessidade de um controle adequado de
temperatura na brassagem. No capitulo 3, explicaremos o trabalho através de
um projeto onde o controle de temperatura foi implementado.
2. SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO VOLTADOS PARA CONTROLE DE
TEMPERATURA E RECIRCULAÇÃO
Os sistemas de automação estão presentes nas mais diversas áreas
e setores. Aplicações de controles de temperatura nos processos envolvidos
na indústria sucroalcooleira e são comumente encontradas desde pequenas
até grandes produções. Considerando que o Brasil produz etanol em grande
escala desde 1970, devido ao programa governamental Proálcool.
O processo de fabricação do etanol e cachaça é bem parecido com
de fabricação de cerveja artesanal. A escolha de matéria-prima, processo de
extração de mosto e fermentação são algumas das etapas parecidas entre os
processos.
Outra informação importante é entender quais as grandezas físicas
que vão ser controladas. Segundo a Confederação Nacional da Indústria,
CNI (2008), a variável de processo e uma grandeza física ou química, cuja
15
variação afeta na operação de um processo. A variável de processo tratada
neste trabalho é a temperatura. O controle adequado desta variável garantira
o resultado esperado do processo.
2.1 Controle de temperatura
O controle de temperatura automatizado funciona de maneira que, a
todo o momento,o valor da temperatura que quer se controlar seja analisado
e comparado com um valor de set-point. Através desta comparação o
controlador lógico decide se é necessário aumentar a fonte de calor ou
diminuí-la. Em um sistema de simples atuação teremos um controlador lógico
programável, um sensor de temperatura e uma resistência térmica, conforme
exemplo abaixo:
Figura 01: Sistema simples de controle de temperatura.
Fonte: Elaboração do autor
No exemplo, o tanque está com o liquido que deve ter a temperatura
controlada. Assim o sensor que faz a leitura da temperatura e essa
informação serve de entrada para o controlador. A lógica nele interpreta esse
valor de entrada, executa sua lógica de comparação e determina se é
necessário atuar a resistência. Se for preciso, a saída é acionada e por sua
vez a resistência começa a esquentar. Assim temos um processo continuo de
16
verificação, onde, novamente a temperatura é comparada e caso o valor seja
igual ou superior ao limite máximo da temperatura a resistência será
desligada. E assim esse processo será executado pelo tempo necessário ao
processo em questão.
2.1.1 Recirculação
A etapa de recirculação também é utilizada em diversos processos
produtivos. A recirculação contribuiu muito para o processo de controle de
temperatura, pois, quando o liquido está recirculando está constantemente
sendo misturado e a temperatura fica praticamente a mesma em todo o
tanque, evitando que tenhamos temperaturas diferentes entre a parte de
baixo e a parte de cima do tanque.
Figura 02: Sistema de controle de temperatura e recirculação.
Fonte: Elaboração do autor
2.1.2 Aplicação
Como referência, no processo de fabricação de etanol, existe uma
etapa de fabricação conhecida como hidrólise ácida. Hidrolise ácida é uma
reação química onde ocorre a quebra das moléculas por ação da molécula
de água. Nesta etapa acontece a produção de vários compostos, mas,
principalmente açucares.
17
Existem alguns inconvenientes na hidrólise ácida. Ao utilizar ácido
concentrado no processo, o rendimento é elevado e baixa porcentagem de
açucares perdidos. Mas o custo dos equipamentos adequados a este
processo é muito elevado, pois, são equipamentos que precisam resistir à
acidez do processo. Outro ponto de atenção é que devido à utilização destes
ácidos concentrados, a dificuldade de manejo e segurança no processo
precisam ser redobradas.
A outra possibilidade é a utilização de ácido diluído, onde o
rendimento é baixo é por esse motivo inviável.
Então, houve o desenvolvimento de um processo novo, conhecido
como Dedini Hidrolise Rápida (DHR), que tem como objetivo a produção de
etanol a partir da hidrólise do bagaço de cana-de-açúcar com ácido diluído.
Segundo Dias (2008), nesta etapa, a recirculação aliada ao controle de
temperatura permite que as condições sejam ideias para atender
concentrações de ácido e solvente necessárias para essa etapa.
2.2 A automação da Recirculação como fator de controle de temperatura
e beneficiamento
Na etapa de fermentação, onde acontece a transformação de
açucares em álcool, Mello (2012), explica que o processo de fermentação
gera calor. Esse calor gerado incrementa temperatura a mais no processo de
fermentação, prejudicando o trabalho das leveduras que consomem os
açucares e liberam CO² e álcool. Usando trocadores de calor de placas, onde
o liquido em constante recirculação ajuda a beneficiar e controlar a
temperatura. Esse processo é necessário considerando que a faixa de
temperatura ideal para as leveduras do etanol é entre 28º e 33º graus, nunca
ultrapassando 35º graus célsius.
A recirculação além de ajudar no controle de temperatura, beneficia a
etapa de fermentação, porque permite que as leveduras e os açucares
fiquem em movimento e assim aumentando a eficiência da fermentação.
18
3. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE CERVEJA
O processo de fabricação combina processos químicos e físicos. A
criatividade dos cervejeiros não tem limites para elaborar novas receitas. O
processo não é como uma receita, que basta seguir as etapas e adicionar
ingredientes. A matéria-prima e os equipamentos facilitam o processo de
fabricação. Por isso, conhecê-los é fundamental para se fazer uma boa
cerveja, conforme Beltramelli (2014) e Cole (2012).
3.1 Matéria-prima
A cerveja é uma bebida alcoólica resultante da fermentação de
cereais maltados ou não. Mas, para produzir cerveja precisamos de pelo
menos quatro matérias-primas: Água, Malte (cereais), Lúpulo e Fermento.
Segundo Silva (2005), que de uma maneira geral definiu cerveja como
bebida carbonatada, de baixo teor alcoólico.
3.1.1 Água
Representa mais de 90% na fabricação da cerveja. De maneira geral,
a água de cada região determina o estilo da cerveja. O cervejeiro pode
alterar a composição química da água e assim atendendo melhor cada estilo
especifico.
3.1.2 Malte
Responsável pelo corpo e cor da cerveja. Na grande maioria das
vezes, a cevada é o cereal mais utilizado, devido ao teor de proteínas que
depois fornecerão aminoácidos necessários a levedura no processo de
19
fermentação. Mas, qualquer cereal pode ser maltado, como exemplo
temos malte de trigo.
3.1.3 Lúpulo
Planta tipo trepadeira de locais com clima frio e com bastante luz
solar. As flores da planta fêmea que são utilizadas. Com propriedades
bactericidas, funciona também como conservante natural da cerveja. Na sua
composição são encontrados resinas e óleos, onde podemos destacar o
ácido alfa, responsável pelo amargor. Podem ser classificados em lúpulos de
amargor, de aroma ou tendo as duas funções.
3.1.4 Fermento Cervejeiro
A levedura é um ser vivo do reino dos fungos. Um micro-organismo
que se alimenta de açúcar e como resultado deste consumo libera álcool e
CO².
Existem três tipos de levedura. As de baixa fermentação (Lagers), as
de alta fermentação (Ale) e as de fermentação espontânea. Cada tipo de
levedura proporciona características diferentes à cerveja.
3.2 Processo de Fabricação
O processo de produção pode ser dividido em Maltagem, Moagem,
Mosturação, Resfriamento e Fermentação. Todas as etapas serão
comentadas, mas, a proposta deste trabalho terá foco na Mosturação. Onde
o controle de temperatura e a recirculação são empregados.
20
3.2.1 Maltagem
Ocorre quando a germinação de um grão é interrompida. Através da
secagem deste grão seu crescimento é interrompido, preservando açucares
e enzimas, que são fundamentais para as próximas etapas da fabricação. Na
maltagem é necessário molhar os grãos onde a água é absorvida. Depois
começa a germinação, onde começam a formação de estoques de amido
através de enzimas já presentes no grão. Para cessar o crescimento e
consequentemente o consumo do amido que foi gerado durante a
germinação iniciasse a secagem. A temperatura da secagem é torno de 50ºC
e 70ºC. O tempo e a temperatura influenciam no tipo de malte, desde maltes
mais claros até os mais torrados.
3.2.2 Moagem
Seu objetivo é expor o conteúdo do grão já maltado. Expondo o
amido e as enzimas, onde serão convertidos em açucares na etapa de
Mosturação. Outra finalidade importante é a granulometria do grão após a
Moagem. Se a moagem é muito fina, torna mais fácil processo de conversão
de açucares, mas, prejudica a clarificação. Durante a recirculação, as
partículas muito finas darão o aspecto mais turvo ao líquido e também podem
causar entupimento. Por outro lado, se tivermos uma moagem que gere uma
granulometria mais alta, teremos a facilidade na clarificação e uma baixa
conversão de açucares. Por isso, a moagem com granulometria adequada
favorece todo o processo a seguir.
3.2.3 Mosturação
O foco deste trabalho está nesta etapa de produção. Como será
explicado, o controle adequado da temperatura e a recirculação
proporcionam o melhor beneficiamento do liquido cheio de açucares, que é
21
chamado de mosto. Na etapa de fermentação, o mosto se transformará em
cerveja.
Na mosturação, o malte é adicionado à água já aquecida na
temperaturadesejada. O malte precisa ser mexido para que todo ele tenha
contato com a água.
De acordo com cada faixa de temperatura é possível favorecer as
ações enzimática e assim obter um mosto com mais ou menos açucares
fermentáveis. Na fabricação de cerveja caseira, podemos destacar 4 faixas
de temperatura: Parada Proteica (Protease), Beta-Amilase, Alfa-Amilase e
Mash-out.
Figura 03: Mosturação.
Fonte: Elaboração do autor
3.2.4 Parada Proteica (Protease)
Também conhecido como descanso protéico, ocorre com a
temperatura do mosto entre 45ºC a 55ºC. Nesta etapa as enzimas quebram
as proteínas em aminoácidos, que serão importantes durante a fermentação.
22
Outro beneficio da Parada Proteica é diminuir a turbidez gerada por
grandes cadeias de aminoácidos, influenciando também na estabilidade da
espuma.
3.2.5 Beta-Amilase
A Beta-Amilase acontece com a faixa de temperatura entre 55ºC a
66ºC. A quebra da cadeia de amido gera açucares menores e fermentáveis,
por isso, ao controlar a temperatura de maneira adequada na Beta-Amilase
conseguimos cervejas mais alcoólicas e com menos corpo.
3.2.6 Alfa-Amilase
Com a temperatura entre 67ºC e 72ºC ocorre a Alfa-Amilase, onde a
quebra da cadeia de amido gera açucares menores e também açucares
maiores. E nesta diversidade de açucares, muitos não são fermentáveis.
Com isso, quando utilizamos o controle de temperatura por mais tempo, na
Alfa-Amilase, favorecemos cervejas mais doces, menos alcoólicas e mais
encorpadas.
3.2.7 Mash-out (Inativação das Enzimas)
No Mash-out, onde a faixa de temperatura é de 72ºC a 78ºC graus,
ocorre a Inativação das enzimas, concluído a conversão de amido em açúcar
e parando o trabalho das enzimas.
3.3 Clarificação
A clarificação ocorre no final da Mosturação. Através da recirculação,
o mosto é retirado do fundo da panela e volta ao topo. O mosto passa pela
23
casca do grão, com granulometria adequada, funciona como um filtro retendo
partículas. Esse processo clarifica o mosto, beneficiando a cerveja no final.
Figura 04: Clarificação.
Fonte: Elaboração do autor
3.4 Fervura
A fervura com um tempo mínimo de 60 minutos serve para esterilizar
o mosto, acabando com microrganismos que possam concorrer com as
leveduras durante a fermentação. Também, durante a fervura, proteínas
coagulam e os ácidos-alfa presentes nos lúpulos não incorporados ao mosto.
O lúpulo tem finalidade de acrescentar amargor e aroma a cerveja. De
acordo com o tempo de adição do lúpulo na fervura, conseguimos cervejas
com mais ou menos amargor e aroma. A fervura é determinante na
densidade da cerveja. A evaporação da água aumenta a quantidade de
sólidos e consequentemente aumenta a densidade inicial da cerveja.
3.5 Resfriamento
Nesta etapa o objetivo é baixar a temperatura do mosto para a
temperatura adequada para cada levedura. É importante que seja feita o
mais rápido possível, pois a demora no resfriamento do mosto, pode gerar
sabores e off-flavors indesejados.
24
3.6 Fermentação
Processo realizado pelos fungos (leveduras). Durante o metabolismo
de açucares pelas leveduras ocorre a liberação de calor, CO² e álcool. A
finalidade da fermentação é transformar o mosto, líquido repleto de açucares,
lupulado e em temperatura adequada para levedura, em cerveja.
Este mosto precisar ser oxigenado, pois, o oxigênio é fundamental
para o crescimento das leveduras.
Fermentador é um recipiente fechado feito de plástico alimentício ou
inox 304, onde acontecerá a fermentação. Ele deve estar limpo e sanitizado,
evitando que outros micro-organismos atrapalhem a levedura. Existe apenas
uma saída de ar que passa por um airlock. À medida que a fermentação
acontece, o CO² sai do balde, passa pelo airlock. O airlock impede que
oxigênio entre. Diferentemente do começo da fermentação qualquer entrada
de oxigênio pode oxidá-la e estragar a cerveja. A temperatura deve ser
mantida de acordo com a levedura utilizada.
Figura 05: Fermentador de fundo cônico industrializado.
Fonte: Elaboração do autor
Na imagem abaixo temos um balde alimentício montado para servir
de fermentador. Como vantagem, na escolha do balde, podemos citar o custo
na aquisição e de fabricação. E sua desvantagem e por não ser de fundo
cônico, facilitando o acumulo de leveduras no fundo.
25
Figura 06: Balde Fermentador
montado para servir como fermentador.
Fonte: Elaboração do autor
Figura 07: Airlock do balde fermentador.
Fonte: Elaboração do autor
3.7 Término da fermentação
No inicio da fermentação e no final é feita a medição de densidade.
Com os valores da densidade Inicial (OG) menos a densidade final (FG) é
possível prever a quantidade de álcool a cerveja possui. Quando a densidade
26
final não variar mais em um período de 24 horas já é considerado o fim da
fermentação.
3.8 Maturação
Encerrada a fermentação é recomendado que a cerveja passe por
um período de maturação.
A maturação tem a finalidade de decantar particular em suspenção e
eliminar alguns off-flavors gerados pelo fim da fermentação. Esta etapa é
recomendada, não obrigatória.
3.9 Envase
Para envasar a cerveja é necessárias garrafas lavadas e sanitizadas.
Ainda sim é necessário acrescentar de 6 a 8 gramas de açúcar por litro de
cerveja. Como a levedura ainda está viva, ela consumirá o açúcar criando
CO² em cada garrafa. A cerveja após a maturação estará sem CO² e com o
açúcar irá criar o CO² necessário para formação da espuma.
Figura 08: Cerveja engarrafa.
Fonte: Elaboração do autor
4. CRIAÇÃO DO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO DE UM CIRCUITO
COMPLETO DE CONTROLE DE TEMPERATURA NA BRASSAGEM
O objetivo é criar uma programação que receba o valor de
temperatura, ligue ou desligue a resistência de acordo com o valor. A
programação também ligará a bomba de recirculação que ajudara controle de
27
temperatura e no momento recirculação, logo após mash-out, para clarificar o
mosto. Conforme Cole (2013).
4.1 Componentes para o projeto
Para os testes no controle de temperatura e recirculação na etapa de
conversão de açucares e inativação de enzimas, os seguintes itens
comentados abaixo serão necessários.
4.1.1 Controlador lógico programável (CLP)
O controlador lógico programável escolhido foi o modelo CLW-
02/10HR-A, fabricado pela WEG. Este modelo possui seis entradas digitais e
quatro saídas digitais. O custo-beneficio foi um dos motivos para a escolha
deste controlador. Com preço mais acessível e com facilidade para ser
encontrado.
Outro motivo da escolha é o software de programação para este
controlador. O software serve como simulador, sem a necessidade de um
controlador físico para executar testes de funcionamento da lógica e assim
comprovar o funcionamento da lógica.
4.1.2 Controlador indicador de temperatura (TIC)
O controlador indicador de temperatura utilizado será o TIC 17
fabricado pela Full Gauge. Novamente a escolha foi feita levando em conta o
custo beneficio do instrumento. O controlador indicador de temperatura é
fundamental para o processo. Nele a temperatura de cada etapa será
configurada e ele “avisará” através de um contato elétrico de saída que está
ligado a uma entrada digital do CLP.
28
Figura 09: Controlador Indicador de Temperatura TIC17.
Fonte: Elaboração do autor
4.1.3 Resistência elétrica
A resistência é um componente elétrico que transforma energia
elétrica em calor. Esse calor gerado manterá o mosto dentro das faixas de
temperatura escolhidas. Será acionada para esquentar e desligada quando a
temperatura alcançar o valor desejado.
4.1.4 Bomba de recirculação
A bomba de recirculação ajuda no controle de temperatura e
beneficiamento da cerveja. Quando acionada retira o liquido do fundo da
panela para o topo. Recirculando o líquido possibilitando que a temperatura
esteja igual tanto na parte de cima quanto na parte de baixo.
A recirculação também beneficia a cerveja. Os grãos de malte
moídos ficam no fundo da panela, funcionado como uma camada filtrante. O
liquido passa por essa camada ficando mais limpo e contribuindopara
próximas etapas do processo.
29
Figura 10: Bomba de recirculação.
Fonte: Elaboração do autor
4.1.5 Panela cervejeira com filtro para malte
A panela cervejeira é o local onde toda mágica acontece. É uma
panela de cozinha industrial, com uma torneira acoplada para retirada do
liquido. Possui um filtro na parte interna para evitar que os grãos de malte
passem pela torneira. O controle da temperatura e recirculação será baseado
nas informações coletadas na panela cervejeira.
Figura 11: Panela cervejeira com torneira.
Fonte: Elaboração do autor
30
4.2 Lógica de programação
A lógica de programação é um roteiro com uma determinada
finalidade, baseado nas informações fornecidas. A finalidade deste roteiro é
ligar ou desligar a resistência elétrica e a bomba de recirculação. A
informação fornecida é a temperatura do liquido e a sua variação durante o
tempo. Entendendo o que precisa ser feito e o próximo passo é desenvolver
a programação.
.2.1 Blocos de Função (FB)
O CLP escolhido pode ser programado em dois tipos de
programação. Em ladder e em blocos de função. A lógica pode ser
desenvolvida das duas maneiras, mas, os Blocos de Função tem a vantagem
de ter uma melhor visualização de toda a lógica e assim facilitar o
acompanhamento do seu funcionamento. A linguagem consiste em blocos
com funções definidas, que a cada etapa completada acionam outros blocos
desde a leitura das entradas até o acionamento das saídas.
Figura 12: Lógica de programação.
Fonte: Elaboração do autor
31
Na imagem acima, é possível ver toda lógica de programação. Quando
a lógica está sendo executada a facilidade em acompanhar cada etapa é
muito grande.
.2.2 Blocos e componentes lógicos
Antes de iniciar a programação, as entradas e saídas precisam ser
definidas. É necessário saber o que precisar ser controlado. A seguir tabela
com a relação de entradas e saídas.
Tabela 01: Entradas e saídas.
Fonte: Elaboração do autor
Conforme a tabela acima as entradas digitais são representadas pela
letra I e saídas digitais pela letra Q. A entrada Liga é responsável por iniciar o
processo de controle. Quando for acionada a temperatura começa a ser
analisada eu processo lógico é iniciado.
Descrição Identificação
Entrada Liga I01
Entrada Desliga/Emergência I02
Entrada digital Sensor de temperatura I03
Saída Liga / Desliga Resistência Q01
Saída Liga / Desliga Recirculação Q02
32
Figura 13: Entrada liga.
Fonte: Elaboração do autor
A entrada Desliga / Emergência tem finalidade de interromper o
processo a qualquer momento e por qualquer motivo. Normalmente em
lógica de programação botões ou chaves de emergências são necessários.
Visam à segurança das pessoas e equipamentos envolvidos.
Figura 14: Entrada Desliga / Emergência.
Fonte: Elaboração do autor
A entrada digital Sensor de Temperatura recebe diretamente o sinal
do Controlador indicador de Temperatura (TIC). Toda fez que o líquido
alcançar a temperatura determinada, o TIC que está constantemente
verificando a temperatura, acionará a entrada digital do CLP. Desta maneira
desligando a resistência elétrica e interrompendo a geração de calor.
33
Figura 15: Entrada de Temperatura.
Fonte: Elaboração do autor
A saída Liga / Desliga Resistência é a saída responsável pela
temperatura no processo. Quando ligada esquenta o liquido. Quando não
acionada o líquido abaixa a temperatura normalmente até chegar ao valor
configurado no processo. O seu acionamento então fica condicionado a uma
temperatura para ligar e desligar.
Figura 16: Saída Liga/Desliga Resistência.
Fonte: Elaboração do autor
Depois da conclusão do processo de controle de temperatura é
necessário iniciar a recirculação do líquido. A saída Liga/Desliga
Recirculação é acionada por um tempo determinado permitindo que o líquido
passe pela camada de grãos no fundo da panela. A cada vez que o liquido
passa é filtrado ficando mais limpo para a próxima etapa.
34
Figura 17: Saída Liga/Desliga Recirculação.
Fonte: Elaboração do autor.
Apesar de ser uma lógica de simples funcionamento é necessário
implementar outros recursos para o funcionamento adequado. Não basta
ligar ou desligar a resistência elétrica ou simplesmente ligar a bomba de
recirculação. É necessária a definição de tempos para cada etapa. Por estes
motivos, na lógica, foram inseridos alguns contadores e temporizadores
complementares a lógica de funcionamento. A seguir a descrição destes
componentes:
Descrição Identificação
Tempo de controle de temperatura Timer B005
Tempo de recirculação Timer B012
Contador Auxiliar Liga Contador B014
Contador Auxiliar Temperatura Contador B011
Contador Auxiliar 1 Recirculação Contador B009
Contador Auxiliar 2 Tempo de
Recirculação
Contador B013
35
Tabela 02: Contadores e temporizadores.
Fonte: Elaboração do autor
O Contador Auxiliar Liga tem a função de receber o comando liga e
manter ligado até que venha outro comando e faça um reset. Na hora de ligar
ao acionar a entrada digital liga por uma vez ou várias vezes o Contador
Auxiliar Liga permanecerá acionado, até que a programação seja concluída
ou até a chegada do comando desliga.
Figura 18: Contador Auxiliar Liga.
Fonte: Elaboração do autor
O temporizador Tempo de Controle de Temperatura e o Contador
Auxiliar de Temperatura trabalham juntos para suprir a necessidade de
contar o tempo de controle de temperatura. O temporizador foi configurado
para contar meio segundo e aguardar meio segundo para acionar a saída.
Com isso ele fornece um pulso de 1 segundo que o contador vai
acumulando. Assim é possível controlar o tempo em segundos. Como
exemplo para contar uma hora seria necessário configurar o valor de ajuste
do Contador Auxiliar de Temperatura para 3600. Esse valor é resultante de
60 segundos (um minuto) multiplicado por 60 vezes, totalizando uma hora.
36
Figura 19:
Temporizador e Contador do Controle de temperatura.
Fonte: Elaboração do autor
A etapa onde acontece a contagem de tempo de recirculação tem a
mesma funcionalidade do contador do controle de temperatura. Um
temporizador de recirculação trabalha produzindo pulsos de 1 segundo. O
Contador de Recirculação conta esses pulsos até chegar ao valor desejado.
Figura 20: Temporizador e Contador de Recirculação.
Fonte: Elaboração do autor.
4.2.3 A lógica de controle de temperatura e recirculação
Acionando a entrada digital I01 – Liga a lógica verificar duas
condições antes de ligar a resistência elétrica. Verifica o valor da temperatura
37
no TIC, se a temperatura já estiver no limite configurado, a entrada do TIC é
acionada e a resistência não é energizada. Outra situação considerada é se
entrada de desliga estiver acionada, assim, impedindo também o
acionamento da resistência. Desta forma, se nenhumas das condições
estiverem ativas, o comando liga acionará a resistência e o liquido começara
a esquentar.
Agora a resistência permanece ligada, aguardando o acionamento da
entrada do TIC. Toda vez que a entrada digital I03 – Entrada Digital do
Sensor de Temperatura estiver acionada significa que a temperatura chegou
ao valor máximo configurado. Ele permanecerá acionado até que a
temperatura abaixe até outro valor também configurado. Desta maneira a
temperatura permanecerá próxima do esperado na configuração. A
resistência ligará ou não de acordo com o acionamento do TIC.
A partir do acionamento do TIC pela primeira vez o temporizador e o
contador começam a funcionar. O tempo é acumulado até atingir o valor que
foi configurado. Neste intervalo a temperatura continua sendo controlada pela
ação do TIC e da resistência.
Importante entender que lógica apresentada está pronta para contar
e controlar apenas uma temperatura demonstrando o funcionamento de
maneira simples e direta. Em receitas mais elaboradas de cervejas, são
necessários duas ou mais faixas de temperatura. Para adequar essa
necessidade à parte lógica, para cada faixa de temperatura a mais, basta
inserir mais um temporizador e um contador emsérie com os já existentes.
Mantendo as mesmas propriedades e alterando apenas o tempo de duração.
Para cada faixa de temperatura o TIC precisa ser ajustado também.
Voltando a contagem de tempo no controle de temperatura, após
alcançar o tempo necessário, a próxima etapa é acionada. A saída Q02 –
Liga / Desliga Recirculação é acionada e a bomba de recirculação começa a
funcionar. O tempo do Contador de Recirculação começa a ser incrementado
e acumulado.
38
Figura 21: Líquido na Recirculação.
Fonte: Elaboração do autor
Após o termino da recirculação, quando o tempo foi atingido, a lógica
foi concluída. Todos os contadores e temporizadores são reiniciados e a
lógica está pronta para começar de novo.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Um resultado interessante desta pesquisa desenvolvida foi que o
controlador escolhido para o projeto utilizou apenas metade das suas
entradas e saídas digitais. Possibilitando controlar mais de um processo ao
mesmo tempo. Para isto bastaria duplicar a lógica, ligar as novas entradas e
saídas digitais e determinar o tempo de atuação no controle de temperatura e
recirculação.
Outro resultado interessante do estudo foi a comprovação do
funcionamento adequado da bomba de recirculação. Muito mais prático que a
recirculação manual e deixando o mosto extremamente limpo para etapa de
fervura.
Um resultado alcançado que comprova que o funcionamento do
projeto foi que a densidade inicial (OG) determinada na receita foi alcançada.
39
Esse resultado foi alcançado porque a etapas de conversão de amido em
açucares fermentáveis e não fermentáveis ocorreu dentro do planejado.
Todas as rampas de temperaturas que foram programadas foram atingidas e
consequentemente o mosto foi bem preparado.
Mesmo que a concepção da lógica seja destinada a fabricação de
cerveja caseira, o modelo de controle atenderia muito bem a
microcervejarias. Para isto, seria necessário apenas dimensionar os
equipamentos. Teremos volumes maiores de cerveja, e com isso,
precisaríamos gastar mais energia para o controle de temperatura.
Adequando sistemas elétricos, quantidade de água e demais necessidades
do processo.
Como demonstrado, o controle funciona de maneira adequada.
Mesmo buscando uma relação de custo beneficio na aquisição dos
componentes para o projeto, o projeto funcionou muito bem e atenderam o
que foi proposto. A temperatura foi controlada adequadamente minimizando
e muito a ação humana nesta etapa do processo.
40
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE INDÚSTRIA DA CERVEJA (CERVBRASIL).
Mercado Cervejeiro. Disponível em:
<http://www.cervbrasil.org.br/paginas/index.php?page=dados-do-setor>.
Acesso em 10 de jan. 2016.
BELTRAMELLI, Mauricio. Cervejas, brejas e birras: um guia completo para
desmistificar a bebida mais popular do mundo. 2. ed. São Paulo: Leya, 2014.
CERCHIARO, Denis Fava. Controle de Temperatura de Trocador de
Calor. 2006. 125 páginas. Dissertação – Escola Politécnica da Universidade
de São Paulo, São Paulo em 2006.
CNI, Confederação Nacional da Indústria. Instrumentação e Controle: Guia
Básico. Disponível em:
COLE, Melissa. Vamos falar de cerveja: Um guia completo. São Paulo:
Marco Zero, 2012.
DIAS, Marina Oliveira de Sousa. Simulação do Processo de Produção de
Etanol a partir do açúcar e do bagaço, visando a integração do processo
e a maximização da produção de energia excedentes do bagaço. 2008.
282 páginas. Dissertação – UNICAMP. Campinas, São Paulo em 29/08/2008.
http://arquivos.portaldaindustria.com.br/app/conteudo_18/2014/04/22/6281/In
strumentao_corrigido.pdf. Acesso em 20 de nov. de 2015.
MELLO, Alexandre Galvão Brasileiro de. Redução e Reaproveitamento de
água no Processo de Produção de Etanol: Um estudo de Caso. 2012. 74
páginas. Dissertação – Universidade Federal de São Carlos, São Paulo em
2012.
41
OLIVER, Garrett. Mesa do Mestre-Cervejeiro: Descobrindo os prazeres das
cervejas e das comidas verdadeiras. São Paulo: Editora SENAC São Paulo,
2012.
SILVA, Daniel Pereira da. Produção e Avaliação Sensorial de Cerveja
Obtida a Partir de Mostos com Elevadas Concentrações de Açúcares.
2005. 177 páginas. Tese – Faculdade de Engenharia Química de Lorena,
São Paulo em 2005.
TOSTES, Lucas Rodrigues de Moraes. Instrumentação e controle do
processo de produção de uma microcervejaria. 98 f. Monografia
(Engenharia de Controle e Automação). Escola Politécnica da UFRJ, 2015.
42
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL: CONSTRUÇÃO DE UM BRAÇO
ROBÓTICO UTILIZANDO SERVOMOTORES CONTROLADOS POR
ARDUINO3
Demétrius Rodrigues4
Coautoria Magna Campos
“Talvez não tenhamos conseguido fazer o melhor.
Mas lutamos para que o melhor fosse feito. Não
somos o que deveríamos ser, não somos o que
iremos ser, mas graças a Deus não somos o que
éramos”.
Martin Luther King
RESUMO
Este trabalho visa desenvolver, como base no aprendido no curso de automação industrial,
uma pesquisa experimental de caráter exploratório referente à construção de um braço
robótico utilizando em sua estrutura materiais simples como PVC, ABS e peças de sucata. O
objetivo é que produto final seja capaz de manusear objetos entre alguns pontos distintos,
podendo identificar quantos objetos se encontram nesses pontos e deslocá-los de forma
manual ou automática. A metodologia é a experimental, valendo-se de materiais disponíveis
e visando custo/benefício, além do uso de servomotores, que são os responsáveis por
fornecer dinâmica, controlar a rotação, dar o torque constante e a precisão de
posicionamento controlados por Arduíno e uma eficiente fonte de alimentação para garantir
uma maior precisão em seus movimentos. Ao final da montagem, o braço funcionou de
forma satisfatória, mostrando ser possível construir um equipamento de boa precisão e baixo
custo.
PALAVRAS-CHAVE: Automação, Servomotores, Arduíno, Reguladores de Tensão, Braço
Robótico.
3 Capítulo adaptado a partir de TCC orientado pela Profª. Ms. Magna Campos, na
Faculdade Adjetivo-CETEP, em 2016.
4 Tecnólogo em Automação Industrial.
43
INTRODUÇÃO
A automação surgiu como o caminho para a redução da participação
da “mão humana” sobre os processos industriais (GOEKING, 2010) e desde
o século X tem-se o registro da evolução tecnológica, como exemplificado na
Figura 1.
Segundo Goeking (2010), tudo começou com utilização, em larga
escala, do moinho hidráulico para fornecimento de farinha. Esta foi uma das
primeiras criações humanas com o objetivo de automatizar o trabalho, ainda
que de forma arcaica. Todos esses acontecimentos deram origem a uma
fase constante de evoluções na busca de solucionar problemas e formas de
trabalho arcaicas.
Figura 1: Acontecimentos históricos.
Fonte: Material elaborado pelo autor.
Mesmo com essa grande evolução, o conceito de automação foi
instituído nos Estados Unidos apenas em 1946, nas fábricas automotivas e,
atualmente, o termo significa qualquer sistema que utilize computação e que
substitua o trabalho humano com o intuito de aumentar a velocidade e a
qualidade dos processos produtivos, a segurança dos funcionários, além de
44
obter maior controle, planejamento e flexibilidade da produção (GOEKING,
2010).
Como um dos ramos da automação tem-se a robótica, ciência e estudo
da tecnologia associada com o projeto, fabricação, teoria e aplicação dos
robôs. Dentro deste vasto campo que é a robótica, destacam-se os
chamados manipuladores robóticos. Estes manipuladores são encontrados
nos mais diversos campos de aplicações desde áreas industriais, onde
desempenham papéis como manipulação de materiais, soldagem, pintura,
etc., até a área médica, onde são utilizados para fazer tele cirurgias.
Dentro deste contexto, o projeto experimental foi desenvolvido por um
sistema composto por um braço robótico articulado utilizando servomotores.
O projeto é composto por uma base, um braço e um antebraço que realizam
movimentos angulares e transversais e na sua extremidade uma garra que
abre e fecha podendo segurar objetos. Entre o antebraço e a garra existe
uma articulação que apósajustada trabalha fixa. Sendo assim, torna-se
possível o manuseio dos materiais a serem manipulados.
É comum em um ambiente industrial deparar-se com setores
insalubres, os quais expõem os funcionários a agentes físicos, químicos e/ou
biológicos. Visando a proteção e a segurança dos operadores, tem-se nos
dias atuais o desenvolvimento de meios alternativos para substituir a
exposição do homem aos riscos citados. Dessa forma, propõe-se com esse
projeto, a elaboração do braço robótico, que tem por finalidade a
manipulação de materiais/ produtos em ambientes de risco.
O desenvolvimento deste estudo compreende os seguintes objetivos
específicos:
Adquirir habilidades nas áreas de sistemas robóticos, selecionando
componentes mecânicos e eletrônicos visando o custo/benefício para
construção de uma estrutura robótica;
Explorar a linguagem computacional C através do uso do Arduíno;
Compreender o mecanismo de funcionamento de um servomotor;
45
Construir versão prototípica experimental de um braço robótico.
Como já foi citado, no setor industrial atual, há uma crescente
necessidade de buscar meios alternativos de se realizar tarefas que possuem
um grau de periculosidade elevado e, até mesmo, que exigem alta precisão e
produtividade. Para solucionar tais problemas, tem-se, de forma eficiente, a
interferência da automação industrial, em especial, a robótica. Devido a isso,
a presença da robótica tem se afirmado, cada vez mais, no mercado
industrial, fazendo impulsionar, também, uma curiosidade acerca do assunto.
No projeto experimental descrito ao longo desse texto, buscou-se
permitir uma aproximação técnica com o ramo da robótica, tão influente nos
dias atuais. É importante observar, também, que, ao desenvolver um braço
robótico, deseja-se maximizar a noção de acessibilidade e viabilidade a essa
tecnologia, tornando-se possível, principalmente, responder curiosidades
pessoais a respeito do assunto.
No capítulo 1, portanto, será tratada a questão da automação e do
servomotores, têm-se aí uma explicação detalhada da estrutura e
funcionamento os servomotores tanto em aspectos teóricos quanto práticos.
No capítulo 2, tratou-se do Arduíno e dos circuitos eletrônicos, nele são
definidos todos os conceitos teóricos utilizados como base para o projeto
experimental, assim como o próprio Arduíno, a programação realizada no
projeto experimental e vários periféricos usados. No capítulo 3, apresenta-se
a parte prática com mais detalhamento da construção experimental do braço
robótico, apresentam-se os resultados obtidos ao final do projeto e sua
conclusão.
2. AUTOMAÇÃO E SERVOMOTORES
Desde a concepção do tema deste trabalho, teve-se a preocupação
de unir os conhecimentos teórico e técnico adquiridos ao longo do curso com
as ferramentas disponíveis no ambiente de trabalho, tornando-se possível a
construção de um braço robótico prático e de baixo custo. Escolheu-se, com
46
a ajuda da orientação, elaborar capítulos que tratassem da prática desde o
início do estudo, mesclando-a a teoria necessária. Para compreender melhor
o desenvolvimento do braço robótico, serão descritos, a seguir, alguns
fatores fundamentais em sua realização.
2.1 Estrutura robótica
O braço robótico é composto pela base, pelo braço e antebraço e, por
fim, pela garra. Com a finalidade de oferecer suporte a estrutura mecânica,
tem-se a base fixa: peça onde é acoplado o braço e, em seguida, o
antebraço. Na extremidade do braço mecânico foi anexada uma garra, que é
destinada a realizar a manipulação do produto/material, determinada pelos
comandos exigidos durante a aplicação do projeto.
O braço consiste de elementos denominados elos unidos por juntas de
movimento relativo (fig. 2), onde são acoplados os acionadores
(servomotores) responsáveis por produzir os movimentos instruídos por um
sistema de controle. Um servomotor fornece dinâmica, controle de rotação,
torque constante e precisão de posicionamento (OTTOBONI, 2002).
Figura 2: Diagrama esquemático do braço robótico.
Fonte: Material elaborado pelo autor.
47
É importante frisar que toda a estrutura robótica foi construída
utilizando materiais como PVC, ABS e peças de sucata. A escolha referente
ao PVC justifica-se pelo fato de apresentar facilidade de manuseio,
resistência a produtos químicos, reciclável e, sobretudo, baixo custo. O ABS
foi utilizado em peças mais detalhadas, visando aumentar a precisão do
trabalho. Essas peças em ABS foram projetas em programas 3D (AutoCad e
SolideWorks) e impressas em uma impressora de 3 dimensões.
As peças em ABS foram a base da primeira articulação, as tampas dos
recipientes dos objetos manipulados, o painel de controle e a garra. A base
fixa possui um tubo de PVC emparelhado com um disco, de mesmo diâmetro
e do mesmo material. Esse disco é utilizado para dar suporte ao rolamento
responsável por transmitir o movimento de rotação, que é produzido pelo
servomotor posicionado na parte interior da base e, também, dar suporte a
primeira articulação que irá rotacionar o braço robótico numa faixa de 0º a
180º.
Na peça da primeira articulação, estão fixados o segundo, e o terceiro
servomotor, o qual realiza um movimento transversal (0º a 150º) do braço. O
servo adjacente é uma articulação que simula um “cotovelo” e o da
extremidade do braço é responsável por abrir e fechar a garra. Quanto ao
servo da base, a princípio foi utilizado apenas um servomotor, porém, este
não conseguiu erguer o braço (fig. 3).
48
Figura 3: articulação de um único servomotor.
Fonte: Material elaborado pelo autor.
Para resolver este problema, foi elaborada uma nova peça em ABS e
colocado um novo servo motor trabalhando em paralelo com o anterior. Com
isso o torque aumentado consideravelmente e o braço foi capaz de manipular
objetos.
Sendo assim, ao finalizar a construção da parte física do projeto:
confecção do braço robótico, tem-se o levantamento dos componentes a
serem utilizados durante o desenvolvimento do projeto, bem como sua
respectiva finalidade (Tabela 1).
Tabela 1- Lista de materiais
Material Utilização
Arduíno Pro Mini Controlador.
CI 7805 Regulador de tensão.
49
Servomotores Movimento de rotação e translação do
braço robótico. Também utilizado na
garra.
Potenciômetros Controle dos movimentos.
Botões Controle da garra, sentido de movimentos
e comutação do modo manual para o
automático.
Fonte de 12V Alimentação dos circuitos
Fios elétricos
Conexão elétrica entre os componentes
eletrônicos.
Protoboard Onde é montado todo circuito
Placa reguladora de tensão Responsável por estabilizar a tensão no
Arduíno
LED Componente eletrônico emissor de luz
LDR Dispositivo sensível à variação de luz
Tabela 1: Lista de materiais.
Fonte: elaboração do pesquisador
Ao unir esses componentes de acordo com uma determinada lógica de
operação, atinge-se a automatização desejada e aplicada ao tema de estudo.
O processo de automatização do braço mecânico pode ser esquematizado
de acordo com o diagrama de blocos presente na figura 4.
50
Figura 4: Diagrama de blocos do projeto de braço robótico.
Fonte: Material elaborado pelo autor.
2.2 Sistema de controle
Uma das partes importantes do trabalho é o modo como o braço é
operado. O sistema de controle ideal seria joystick auxiliado por botões que,
de modo intuitivo, repetiria os movimentos feitos por ele. Devido ao custo,
optou-se por potenciômetros para realizar os movimentos. Extraídos de
sucata, os potenciômetros são diferentes uns dos outros assim como os
botões, mas todos eles foram trabalhados para atenderem ao projeto.
2.3 Potenciômetros e Botões
Ao iniciar o Arduíno, ele faz a leitura do primeiro botão que comuta de
automático para manual. O modo automático é operado por dois botões. O
primeiro manipula os objetos da direita para a esquerda, e o segundo
manipula os objetos da esquerda para direita.
O modo manual opera com 3 potenciômetros e um botão. O primeiro
potenciômetro é responsável pelo movimento angular horizontal(180º), o
segundo potenciômetro é responsável pelo angular vertical (90º), o terceiro
51
potenciômetro é responsável pelo movimento longitudinal (aproximadamente
30 cm) e o botão abre ou fecha a garra (fig. 5).
Figura 5: Potenciômetros e Botões.
Fonte: Material elaborado pelo autor.
2.4 Servomotores
Também conhecidos como servos são os “músculos” do projeto. Em
conjunto foram dimensionados para sustentar sua própria estrutura e mover
objetos.
Segundo Mott (MOTT, 1999), McManis (CHUCK MCMANIS, 2006) e
Braga (BRAGA, 2002), servomotores são dispositivos de malha fechada, ou
seja, recebem um sinal de controle, verificam a posição atual e atuam no
sistema indo para a posição desejada.
Em contraste com os motores contínuos que giram indefinidamente o
eixo dos servomotores possui a liberdade de aproximadamente 180 graus e
bem precisos quanto à posição. Para isso possuem três componentes
básicos:
52
2.4.1Sistema Atuador:
O sistema atuador é constituído por um motor elétrico, embora também
possa encontrar servos com motores de corrente alternada, a maioria utiliza
motores de corrente contínua. Também está presente um conjunto de
engrenagens que forma uma caixa de redução com uma relação bem longa o
que ajuda a amplificar o torque. O tamanho, torque e velocidade do motor,
material das engrenagens, liberdade de giro do eixo e consumo são
características chave para especificação de servomotores.
2.4.2 Sensor:
O sensor normalmente é um potenciômetro solidário ao eixo do servo.
O valor de sua resistência elétrica indica a posição angular em que se
encontra o eixo. A qualidade dele vai interferir na precisão, estabilidade e
vida útil do servomotor. Ainda existem servos que utilizam "encoders" ou
outros tipos de sensores de posição.
2.4.3 Circuito de Controle:
O circuito de controle é formado por componentes eletrônicos discretos
ou circuitos integrados e, geralmente é composto por um oscilador e um
controlador PID (Controle proporcional integrativo e derivativo) que recebe
um sinal do sensor (posição do eixo) e o sinal de controle, então aciona o
motor no sentido necessário para posicionar o eixo na posição desejada.
Os Servos usados no projeto possuem três fios de interface, dois para
alimentação e um para o sinal de controle. É alimentado com tensões de 5 V
e recebe um sinal no formato PWM (Pulse Width Modulation). O circuito de
controle do servo fica monitorando este sinal em intervalos de 20 ms. Se
neste intervalo de tempo, o controle detecta uma alteração do sinal na
largura do sinal, ele altera a posição do eixo para que a sua posição coincida
53
com o sinal recebido. Possui três características básicas: Largura mínima,
largura máxima e taxa de repetição.
A largura do pulso de controle (fig. 6) determinará a posição do eixo:
Largura máxima equivale ao deslocamento do eixo em + 90° da
posição central;
Largura mínima equivale ao deslocamento do eixo em -90°;
Demais larguras determinam a posição proporcionalmente.
Figura 6: Largura do Pulso de controle.
Fonte: eletroeletronicaetec.wordpress.com
2.5 Função de um servomotor
Os servomotores são usados em várias aplicações quando se deseja
movimentar algo de forma precisa e controlada. Sua característica mais
marcante é a capacidade de movimentar o seu braço até uma posição e
mantê-lo, mesmo quando sofre uma força em outra direção. Segue abaixo a
figura 7 com as partes de um servomotor:
54
Figura 7: Partes do Servomotor.
Fonte: eletroeletronicaetec.wordpress.com
Circuito de Controle – Responsável pelo monitoramento do
potenciômetro e acionamento do motor visando obter uma posição pré-
determinada;
Potenciômetro – Ligado ao eixo de saída do servo, monitora a
posição do mesmo;
Motor – Movimenta as engrenagens e o eixo principal do servo;
Engrenagens – Reduzem a rotação do motor, transferem mais torque
ao eixo principal de saída e movimentam o potenciômetro junto com o eixo;
Caixa do Servo – Caixa para acondicionar as diversas partes do
servo.
2.6 Funcionamento de um servomotor
O circuito básico (fig. 8) de um servo motor utiliza um amplificador
operacional ligado como comparador, dois transistores de potência e um
motor de corrente contínua acoplado a uma caixa de redução (NEWTON C.
BRAGA, 2015).
55
Figura 8: circuito básico de servomotor. Fonte:
http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/robotica/5164-mec066a
Existe um potenciômetro de realimentação acoplado ao eixo da caixa
de redução, funcionando como um sensor de posição da alavanca.
Esta caixa de redução tem uma importante função no servo. Com ela,
o sistema pode:
Reduzir a velocidade de ação de modo que o potenciômetro acoplado
não envie variações de posição muito rápidas ao circuito a ponto de causar
sua instabilidade de funcionamento, e do próprio dispositivo mecânico
externo que vai ser controlado.
Aumentar o torque de modo que a alavanca possa movimentar pesos
maiores.
A taxa de redução desta caixa depende da aplicação. Existem, por
exemplo, caixas de redução com taxas elevadas de redução que, pode-se,
com um motor de corrente contínua de 3V ou 6V, movimentar grandes pesos.
Com esta redução é possível elaborar bons servos para a aplicação em
56
Robótica e Mecatrônica (NEWTON C. BRAGA, 2015). A figura 9 ilustra os
tipos de redução:
Figura 9: Caixa de redução para robótica e montagem de servos. Fonte:
http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/robotica/5164-mec066a
Os servomotores funcionam de uma maneira muito simples. Quando
ligados à alimentação do circuito na entrada do comparador de tensões, que
é o amplificador operacional, aparecem duas tensões.
Uma delas é a tensão aplicada por um potenciômetro de controle
externo ou de um circuito que envia ao servo a informação sobre a posição
em que seu braço deve ser levantado. A outra é a tensão aplicada pelo
potenciômetro ligado ao eixo da caixa de redução, que diz em que posição o
braço do servo se encontra.
Se a tensão aplicada pelo potenciômetro sensor for maior do que a
aplicada pelo comando, indica que o braço está além da posição desejada, o
comparador envia um sinal que faz com que o transistor Q1 conduza o braço
e o motor gire no sentido de trazer de volta à posição desejada. O ganho do
comparador deve ser tal que quando o potenciômetro chegar perto da
57
posição desejada, a tensão caia rapidamente e o motor pare (NEWTON C.
BRAGA, 2015).
Se o potenciômetro sensor, por outro lado, enviar um sinal que
corresponda a uma tensão que “diga” ao comparador que o braço está antes
da posição desejada, a saída do comparador será invertida e o transistor Q2
é que vai conduzir avançando o braço até onde queira.
Se o ganho for muito alto, poderá ocorrer uma oscilação, já que o
circuito e o motor têm certa inércia, e o motor passará então da posição
original, devendo voltar conforme mostra a figura 9. O motor inverte a rotação
e isso pode ocorrer diversas vezes. A figura 10 representa esse processo:
Figura 10: Comportamento no ajuste de posição de um servo. Fonte:
http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/robotica/5164-mec066a
O projeto de um servo deverá ser dotado de um sistema de
amortecimento rápido e de ganho operacional para que não ocorram tais
oscilações. Mudando o comando de posicionamento de um servo, o
comparador intende imediatamente a diferença de tensão enviada pelo
potenciômetro sensor e trata de fazer a correção com a condução de Q1 e
Q2, conforme seja necessário (NEWTON C. BRAGA, 2015).
58
3. ARDUÍNO E CIRCUITOS ELETRÔNICOS
Segundo McRobert (2011), Arduíno é um pequeno computador que se
pode programar para processar entradas e saídas entre os dispositivos e os
componentes a ele conectados. É um hardware livre projetado com
microcontrolador Atmel, programado em linguagem C/C++.
3.1 Arduíno
Nos dias de hoje existem vários tipos de Arduíno, eles se diferenciam
de acordo com o número de portas, quantidade de memória recursos da
placa, tamanho físico entre outros. O Arduíno escolhido para o projeto foi o
ProMini, bem compacto, mas com portas suficientes para acoplar todos os
dispositivos de entrada e saída.
O Arduíno Pro Mini tem como base o microcontrolador ATMega328p
com clock de 16Mhz trabalha com tensão de 5v. Possui 14 portas digitais
(das quais 6 podem ser usadas como saídas PWM) e 8 entradas analógicas,
tal qual figura 11:
Figura 11: Arduino Pro Mini. Fonte:
https://learn.sparkfun.com/tutorials/using-the-arduino-pro-mini-33v
59
3. 2 Conversor de usb para serial FTDI
O Arduíno Pro Mini por ser muito compacto não possui um conversor
USB serial como o UNO ou o Mega. Dessa forma, para fazermos o upload do
código do computador para o Arduíno, é necessário plugarmos a ele um
conversor. Este conversor tem a única função de adaptar o pc ao Arduíno e
tem como componente principal um CI chamado FTDI. Após o upload este
conversor pode ser desplugado. A imagem da figura 12 demonstra o exposto:
Figura 12: Conversor USB Serial FTDI. Fonte: https://www.tindie.com/products/upgradeindustries/ftdi-
basic-usb-to-serial-converter/
3.3 Módulos reguladores de tensão
Uma das partes mais importantes do projeto é a alimentação.
Assegurar que os circuitos trabalhem com tensões corretas e estabilizadas é
essencial para precisão dos movimentos. Para maior segurança e
comodidade os circuitos reguladores de tensão foram divididos em 2
módulos. O de alta corrente para garantir o torque dos servomotores e o de
baixa corrente que alimenta os circuitos lógicos.
3.3.1 Circuito regulador de tensão de baixa corrente
Este circuito foi desenhado especificamente para facilitar a
alimentação de projetos em Protoboard. Possui encaixe padrão podendo
alimentar as duas linhas laterais do Protoboard com duas tensões distintas
5V e 3,3V com corrente máxima de 1A. Para tanto ela é dotada de 2
60
conjuntos e jumpers que chaveiam de modo independente a saída do
circuito. Possui conector P4 em sua entrada podendo ser alimentado com
tensões que variam de 7 a 32V. Tem também um interruptor que liga e
desliga a entrada e um led para sinalizar, conector USB padrão e pinos para
alimentar dispositivos não acoplados a protoboard. Existem vários fabricantes
deste módulo, a que usamos é da marca YwRobot. A figura 13 é a imagem
dele:
Figura 13: Placa reguladora de tensão. Fonte: http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-712897937-kit-
protoboard-regulador-de-tenso-65-jumpers-_JM
3.3.2 Circuito regulador de tensão de alta corrente
Um dos reguladores de tensão utilizados no projeto é o CI LM7805, de
baixo custo e fácil de encontrar no mercado, tem o objetivo de estabilizar a
tensão que alimenta os leds e os servomotores. Este CI trabalha na linha
positiva estabilizando a tensão em 5V com relação à linha negativa,
independente das variações de tensão na entrada do circuito. Foi ligada a
entrada desse circuito uma fonte de alimentação retirada de um monitor
velho de 12V que fornece correntes de até 3,5A. Além de estabilizar a
tensão, ele consegue suportar em seus terminais uma corrente de até 1,5A
dotado de um bom dissipador de calor. Na figura 10 podemos observar o CI
no encapsulamento TO-220, o pino 1 é a tensão de entrada, o pino 2 é o
61
comum, ligado ao GND e o pino 3 a saída do componente, conforme figura
14.
Figura 14: Circuito Integrado 7805.
Fonte: https://www.robocore.net/loja/produtos/regulador-de-tensao-5v-7805.html
Durante a criação do braço mecânico, um único regulador de tensão
não foi suficiente para alimentar todo o projeto, dessa forma, foi adicionado
mais um CI ao circuito montados em um radiador de calor de alumínio para
evitar a queima por superaquecimento. Tais componentes foram ligados em
paralelo, com a finalidade de dobrar a corrente para alimentar todos os
servos. Uma resistência foi adicionada a saída de cada regulador, com a
finalidade de balancear a corrente entre eles. Na figura 14 podemos observar
como essa ligação foi feita.
Figura 15: Diagrama do regulador de tensão dos servosmotores.
Fonte: material elaborado pelo autor.
62
3.4 Software Arduíno IDE
Para que o Arduíno faça o que desejarmos, temos que escrever as
instruções e gravar em sua memória. Usa-se então um programa de
computador classificado como IDE, um software livre que tem sua linguagem
própria baseada em C. Essa IDE usa um conjunto de códigos para que o
Arduíno possa realizar seu trabalho passo a passo de forma lógica e
coordenada. Depois do código escrito, encontra-se na parte superior do IDE
o botão “Verificar” que aponta algum erro caso exista, e, se tudo estiver certo
é hora de gravarmos o código no Arduíno.
É plugado um cabo USB no computador e intermediando-o com o
Arduíno pluga-se o circuito FTDI que adapta a porta USB à porta serial do
Arduíno. Informamos ao IDE que tipo de Arduíno estamos usando e em qual
porta está conectado. Agora clicamos no botão “Carregar” que fará o upload
do código do computador para o Arduíno. Dois leds irão piscar (TX e RX) e
no término do processo aparecerá a palavra “carregado”. Agora, desconecta-
se o Arduíno do FTDI e vamos instala-lo no projeto. O Arduíno, então,
executará essas instruções, interagindo com o que estiver a ele conectado.
No mundo do Arduíno, esses códigos são conhecidos como sketches
(rascunho, ou esboço) (MCROBERTS, 2011). A figura 16 abaixo se refere a
esse processo:
63
Figura 16: IDE Arduino (Versão 1.6.5).
Fonte: https://blog.arduino.cc/2016/03/09/arduino-ide-1-6-8-available-for-download/
3.5 Código Utilizado
O código utilizado no projeto está representado no fluxograma mais
adiante. O programa primeiramente adiciona a biblioteca “servo.h”, nela
estão as funções para o funcionamento dos servos. São declaradas as
variáveis e definidas as portas de entrada e saída do Arduíno. O botão Bot.1
chaveia o sistema de automático (fechado) para manual (aberto) e vice
versa.
No modo automático, todos os movimentos são pré-configurados e os
botões e sensores definem qual deverá ser efetuado.
64
O botão 2 tem a função de passar os objetos do recipiente direito para
o esquerdo, e o botão 3 do esquerdo para o direito, independente do número
de objetos existentes no recipiente de origem, que pode variar de 1 a 3, caso
não exista nenhum objeto, o braço permanece imóvel na posição inicial,
conforme figura 17.
Figura 17: Braço na posição inicial.
Fonte: material elaborado pelo autor.
Isso é possível devido aos leds e sensores fotoelétricos instalados nos
orifícios de tal forma que o feixe de luz do led está apontado para o sensor.
Quando o feixe de luz é interrompido, o sensor muda seu valor informando
ao Arduíno que há um objeto presente, ao remover o objeto a luz do led
incide no sensor que retorna ao valor inicial informando que o orifício está
vazio. Podemos entender melhor a lógica observando o fluxograma da figura
18. No modo manual o braço fica livre para efetuar qualquer movimento que
o operador queira, dentro de suas limitações, onde o primeiro potenciômetro
faz o movimento de translação, o segundo o movimento superior e inferior, o
terceiro movimento longitudinal e o botão 2 (Bot. 2) recebe outra função no
65
modo manual, a de abrir e fechar agarra. Então, o programa fica em loop,
com a leitura dos valores vindos dos potenciômetros e botões, ajustando os
servos de acordo com esses valores até que Bot.1 seja acionado comutando
para o modo automático ou o sistema seja desligado.
Figura 18: Fluxograma do programa desenvolvido.
Fonte: material elaborado pelo autor.
Legenda:
Carregar: carrega biblioteca de servos e variáveis;
Home: move o braço a posição inicial predefinida;
Trab.: manipula objetos entre dois pontos predefinidos;
Bot.: botão;
Pot.: potenciômetro;
Sens.: sensor.
Mov.: realiza movimento em determinada articulação;
66
Abre: abre a garra;
Fecha: fecha a garra.
O código programado se encontra no APÊNDICE A.
4. O BRAÇO ROBÓTICO CONSTRUÍDO
4.1 O desenho metodológico
Em fevereiro de 2015, surgiu a ideia de construir um braço robótico
usando materiais de baixo custoe, até mesmo, sucateados. A ideia era
montar um dispositivo central que manipulasse objetos em recipientes
fixados a sua esquerda e a sua direita. Um projeto muito desafiador dado o
grau de complexidade. Vários pontos foram analisados como a estrutura
física, articulações, motores, modo de automação, fonte de alimentação, e,
especialmente, como tornar esse desejo em uma pesquisa experimental que
servisse à pesquisa.
A maioria dos materiais foi adquirida de sucata e após um estudo,
optou-se por usar PVC na estrutura mecânica. Isso foi possível através de
um processo para obter placas planas de PVC a partir de tubos usados em
encanamento de esgoto. Foram usados tubos de 100 mm diâmetro que
foram cortados com aproximadamente 45 cm de comprimento e abertos com
um corte longitudinal, preparados dessa maneira, são levados ao forno.
Depois de aproximadamente 30 minutos, ainda quente, são submetidos a
uma prensa de aproximadamente 20tn e após o seu resfriamento obteve-se
uma chapa plana de PVC.
O próximo passo foi a elaboração do esboço das peças. Inspirado num
suporte de luminária tinha toda estrutura pronta em mente. Usando um
programa de computador chamado Solidworks, as peças foram desenhadas
e impressas em papel A4, depois são coladas nas chapas de PVC e cortadas
usando uma máquina chamada serra de fita. Depois do corte é dado o
acabamento com lixa d´água, dessa forma, as peças estão prontas para a
67
montagem. Outro recurso utilizado foi a impressão em 3 dimensões que
possibilitou a confecção de peças mais detalhadas e precisas.
Na primeira etapa foram montadas as peças em PVC, ABS, os servos
e o rolamento da base deixando o projeto com a estrutura mecânica pronta
para ser automatizada.
No decorrer do processo começaram as alterações, com a base
montada usando um motor de hard disk como rolamento, veio a ideia de
também usar rolamentos (fig. 19) nas articulações do braço, pois, o torque
dos servos se limita a apenas um dos lados, dessa forma, no outro lado foi
instalado um pequeno rolamento com o objetivo de diminuir o atrito
facilitando o trabalho dos servos.
Figura 19: Rolamento montado na estrutura. Fonte: material elaborado pelo autor.
A parte eletrônica teve como base uma Protoboard (fig. 20) que
conecta os componentes eletrônicos. Entre eles temos o Arduíno, os botões,
os potenciômetros, os servos e a fonte.
68
Figura 20: Protoboard montada. Fonte: material elaborado pelo autor.
Finalizada a montagem, foi realizada a programação do Arduíno para
que os movimentos fossem executados de acordo com o comando efetuado
pelos potenciômetros e, assim, testar o projeto.
O primeiro teste falhou, infelizmente o braço não conseguiu erguer seu
próprio peso. Após estudar o problema, concluiu-se que a adição de um
segundo servo a articulação da base resolveria o problema, para tanto,
também seria necessário um aumento na corrente evitando quedas de
tensão e superaquecimento do regulador de tensão garantindo a simetria dos
movimentos desses servos.
O regulador de tensão (fig. 21) foi dividido em dois. Um para alimentar
o circuito lógico, o Arduíno e o outro para alimentar os servos. No regulador
de tensão do Arduíno, foi usada uma placa própria para Protoboard, até
então não utilizada devido à limitação da corrente em 1A, ilustrada na figura
21.
69
Figura 21: Regulador de tensão de 1A. Fonte: material elaborado pelo autor.
O regulador inicial usa um CI LM7805, foi adicionado mais um ligado
em paralelo e montados em um dissipador de calor; e então acomodados em
uma embalagem de fita isolante como mostra a figura 22.
Figura 22: Regulador de tensão de 3A. Fonte: material elaborado pelo autor.
70
Novamente foi projetada a peça da base, agora com suporte a dois
servos e então impressa na impressora 3D (também construída pelo autor do
projeto experimental). Como esses servos trabalham com o eixo voltado para
dentro, o código do Arduíno foi editado para que o segundo servo atue, de
forma simétrica, invertido do primeiro. Após a remontagem é hora do
segundo teste. O braço não só sustentava seu próprio peso como era capaz
de movimentar objetos (fig. 23).
Figura 23: Projeto concluído. Fonte: material elaborado pelo autor.
Em meados de agosto de 2016, visando aumentar o grau de
automação do projeto, foram instalados sensores fotoelétricos e leds nos
orifícios dos recipientes, dessa forma o braço sabe quantos objetos tem no
recipiente de origem e pode manipulá-los da esquerda para direita e da
direita para esquerda, de acordo com o comando do operador, independente
do número de objetos existentes neste recipiente, figura de 24.
71
Figura 24: Sensores e leds instalados. Fonte: material elaborado pelo autor.
A próxima série de figuras-fotografias ilustra o braço trabalhando no
modo automático.
Figura 25, 26, 27 e 28: Processo modo automático. Fonte: material elaborado pelo autor.
72
Figuras 25 e 26 em close:
73
Figuras 27 e 28 em close:
74
Após alguns ajustes, o braço conseguiu efetuar seus movimentos de
forma satisfatória tanto no modo manual como no automático.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Após testes realizados, notou-se a necessidade de fazer algumas
correções ao projeto inicial, mudando, por exemplo, o material da garra de
PVC para ABS, bem como a implantação de mais um servomotor para
aumentar o torque.
A viabilidade desse projeto se deu devido à disponibilidade de
maquinários instalados na Fundação Gorceix, à disponibilidade de uma
impressora 3D e à facilidade de manuseio do PVC facilmente encontrado em
sucata, reduzindo o custo do projeto.
Ainda visando custo/benefício, o Arduíno Pro Mini foi o controlador
escolhido para automação do braço, tendo o número de portas analógicas e
digitais suficientes para execução do projeto.
Com poucos recursos e muito trabalho, aliados ao conhecimento
desenvolvido no curso, conseguiu-se em alguns meses chegar a um
resultado satisfatório, abrindo um leque de empregabilidades que, com o
investimento certo adequa-se o projeto ao mercado de trabalho como, por
exemplo, manuseio de produtos nocivos e trabalhos em áreas insalubres.
Depois de muitos esforços, testes, experimentos e estudos, o objetivo
final foi alcançado, a construção de um braço robótico de qualidade e baixo
custo. O PVC mostrou resistente, trazendo boa estrutura ao projeto, o
Arduíno, como vimos, é de baixo custo e fácil de encontrar, e apesar de seu
tamanho reduzido, foi suficiente para controlar todos os dispositivos.
Os servomotores foram selecionados de acordo com o custo benefício,
e em determinada articulação foi necessário 2 unidades para sustenta-la.
Paralelamente ao projeto, foi construída uma impressora 3d, que no decorrer
do mesmo, foi de grande ajuda possibilitando a confecção de peças em ABS,
75
obtendo maior precisão. Vale ressaltar a utilização de máquinas e
equipamentos para corte, lixamento, escareamento, furação, prensagem e
demais trabalhos, instaladas na Fundação Gorceix, que foram de grande
valia para a construção estrutural do braço robótico.
76
REFERÊNCIAS
GOEKING, W. O setor elétrico: Da máquina a vapor aos softwares de
automação. 52. ed. [S.l.]: [s.n.], 2010. Disponivel em:
<http://www.osetoreletrico.com.br/web/ component/content/article/57-artigos-
e-materias/343-xxxx.html>. Acesso em: 10 março 2015.
OTTOBONI, A. Servo-acionamentos. In: Automação. [S.l.]: [s.n.], 2002. p. 1-
14. Acesso em: maio 2015.
WENDLING, M. CI Reguladores de Tensão. Guaratinguetá - São Paulo:
Universidade Estadual Paulista- campus de Guaratinguetá, 2009. Acesso em:
maio 2015.
NEWTON C. BRAGA. Instituto Newton C. Braga. Disponível em:
<http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/robotica/5164-mec066a>.
Acesso em: agosto 2015.
Arduíno. Arduíno Genuino. Disponível em: <https://www.arduino.cc/>. Acesso
em: agosto 2015.
Alunos Doroti. Servomotor. Disponível em:
<https://eletroeletronicaetec.wordpress.com/2015/06/10/servo-motor/>.
Acesso em: agosto 2016
Automação Industrial - Definição e história.