TCM Portão Basculante final

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TCM – Portão Basculante
Gilvan da Silva Baliero
Rogério Cavazere 
Vinicius Pereira Silva
Projeto Integrador do curso de Engenharia Mecatrônica, Módulo instrumentação industrial
Prof. Marcos Jose Pinson
Professor Orientador
Guarulhos
2015
 
FACULDADE ENIAC
TCM – Portão Basculante
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Gilvan da Silva Baliero
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Rogério Cavazere
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Vinicius Pereira Silva
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Prof. Marcos José Pinson
Orientador Acadêmico
Guarulhos
Março 2015
Resumo
Neste TCM vamos abordar os métodos aprendidos em aula para desenvolvimento de um portão basculante que faz parte do processo de conclusão do Projeto Integrador proposto aos alunos do curso de Engenharia Mecatrônica. Projeto este que visa integrar e avaliar os conceitos apresentados em todas as disciplinas ministradas aos alunos deste curso. Este TCM irá conter neste primeiro momento o emprego do conteúdo necessário das disciplinas,a fim de se produzir um equipamento de qualidade com funcionamento satisfatório e de acordo com os requisitos que foram solicitados. Oportão basculante irá contar com componentes mecânicos e elétricos que serão listados no decorrer do desenvolvimento e utilizamos equipamentos disponíveis no laboratório da instituição para produção de algumas das peças, sempre contanto com orientações e supervisão de professores e tutores. Os resultados até o presente momento são apenas teóricos; pois nesta etapa do projeto colocamos nosso empenho em organizar as metodologias para iniciar o projeto com a maior quantidade de dados possíveis de maneira organizada para obtenção melhores resultados na parte prática do desenvolvimento.
	
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
DC-corrente contínua
LED-diodo emissor de luz
LISTA DE SÍMBOLOS
1 - INTRODUÇÃO
Objetivo - O projeto do portão basculante destina-se a aplicação teórica das matérias que já foram passadas em sala no curso de engenharia mecatrônica módulas instrumentação industrial, garantindo assim um pouco de prática no desenvolvimento de projetos.
O objetivo é instalar sensores em pontos estratégicos no portão, para que haja uma automatização do sistema, fazendo com que a abertura e o fechamento ocorram automaticamente com a chegada e saída do veículo.Podemos usar como exemplos os portões residenciais e industriais que funcionam com sensor ou controle remoto.
Motivação - Este projeto tem por finalidade integrar as disciplinas do curso fazendo com que os alunos consigam colocar em prática os conceitos e métodos aprendidos em aula, trazendo parasua realidade a aplicação das soluções dos problemas do cotidiano de maneira clara e eficiente. A integração das matérias facilita no aprendizado e entendimento dos cálculos e fórmulas apresentadas no curso de modo que a aplicação se torna essencial para conclusão do trabalho e incentiva a busca por informações e de conhecimento equivalente, gerando dúvidas reais para elaboração de pesquisas mais detalhadas e objetivas. Além é claro de incentivar o trabalho em grupo e a gestão de projetos para organização e divisão das tarefas afim de que todos os envolvidos consigam exercer as tarefas que lhes darão uma base de conhecimento mais sólido sobre os fundamentos da Engenharia Mecatrônica e suas particularidades.
Com base no desenvolvimento deste projeto é possível avaliar com mais clareza as competências e habilidades de cada aluno e que irá compor sua matriz curricular para atender os objetivos profissionais. O projeto também é parte fundamental para avaliação do conhecimento adquirido em aula e torna possível verificar se o conteúdo condiz com a necessidade pedagógica para preparo de um profissional de Engenharia.
O projeto visa ainda atender às propostas das empresas em resolver problemas do cotidiano, preparando os alunos para analisar e resolver problemas de características múltiplas, tendo uma visão sistêmica, fazendo o aluno interagir com o grupo e trabalhar em equipe.
2- FUNDAMENTAÇÕES TEÓRICAS
A palavra robot deriva do checo e significa trabalho forçado. O termo, com a atual interpretação, foi inventado pelo escritor checoslovaco KarelCapek em 1920.
De uma forma simples, um robot é uma máquina que, capaz de ações independentes, realiza uma dada tarefa, sem ser continuamente supervisionado por um operador humano, em contraste com uma máquina comandada à distância  que necessita de alguém para controlar o seu movimento. 
Os robots industriais não se parecem com os humanos, mas fazem o trabalho deles, substituindo-os no desempenho das tarefas desagradáveis e nocivas para as pessoas. O conceito do robot industrial foi patenteado em 1954 por G.C.Devol (patente americana nº 2988237).
Joseph Engelberger -"pai dos robots"- concluiu o primeiro robot em 1961. Atualmente, várias empresas estão a dedicar-se ao desenvolvimento e fabricação de robots. No Japão, em 1985, o volume de produção foi na ordem das 48000 unidades, o equivalente a 1,8 milhões de dólares.
2.1 Motores de Corrente Contínua
Os motores de corrente contínua são responsáveis por converter energia elétrica em energia mecânica para isso a grande maioria destes motores trabalha com eletromagnetismo, mas também podem ser baseados em outros fenômenos eletromecânicos como força eletrostática.
Estes motores se baseiam na teoria de que há uma força mecânica em todo fio quando está conduzindo eletricidade em um campo magnético. Em um motor giratório existe um rotor que gira, pois tem fios e um campo magnéticos arranjados de modo a gerar um torque na linha central deste rotor, e existe também um estator que é a parte estacionária e eletroímãs.
Estator é a parte de um motor ou gerador elétrico que se mantém fixo à carcaça e tem por função conduzir o fluxo magnético, nos motores para rotacionar e nos geradores para transformar a energia cinética do induzido.
Os motores de corrente contínua precisam de uma fonte de corrente contínua e pode trabalhar com velocidade ajustável entre amplos limites com controles bem flexíveis e precisos. Seu uso é indicado para casos especiais e que compensem seu custo elevado e que possuam alimentação contínua como no caso de pilhas e baterias.
O funcionamento destes motores se dá basicamente através de ações do campo magnético como repulsão e atração dos pólos e ação destes campos magnéticos sobre as correntes, normalmente é produzido um torque através destas forças e os movimentos de empurrar e puxar os pólos móveis do rotor faz com que ele gire cada vez mais rápido até que o atrito e torque que resultante chegue ao valor zero. Após este ponto o motor passa a trabalhar com velocidade angular constante. Para que isso aconteça é necessário que ao menos um dos ímãs utilizados no motor seja um eletroímã, pois ele precisará alterar sua polaridade para garantir que o rotor continue sua rotação.
Dependendo das aplicações os motores de corrente contínua são os que apresentam maiores benefícios por serem de fácil operação, confiabilidade e precisão. Por outro lado tem custo elevado, mais necessidades de manutenção e padrões especiais para efetuar partida.
 
2.2 Baterias
Bateria é a associação de um conjunto de pilhas ou acumuladores. Capaz de armazenar energia para ser utilizada em um circuito externo, mas a medida que a carga dessa bateria é drenada ela passa a ter sua carga reduzida precisando então ser recarregada ou substituída.
Para entender melhor o funcionamento de uma bateria precisamos entender o conceito desenvolvido por Alessandro Volta em 1800 que conseguia acumular energia (aproximadamente
0,75v) empilhando cobre e zinco colocando no meio discos de tecido embebidos numa solução de ácido sulfúrico, daí o nome “pilha”. Este conceito foi melhorado com a criação das pilhas secas que utilizam Zinco, Carbono e Eletrólitos para descarregar a energia armazenada.
Pode-se dizer que a pilha armazena e descarrega energia através de um processo químico que utiliza óxido-redução para converter energia química em energia elétrica.
Há ainda as baterias recarregáveis que podem receber uma nova carga quando a sua se esgota que segue praticamente o mesmo princípio das pilhas comuns mas com componentes que permitem que seja adicionada carga de acordo com necessidade, assim como as utilizadas em carros, celulares, etc.
No momento em que uma bateria é carregada ela converte a energia elétrica em energia química e depois é feito o processo inverso para a descarga.
2.3 Pontes H transistorizadas
Pontes H transistorizadas são muito importantes para o desenvolvimento de dispositivos robóticos, trata-se de um circuito simplificado capaz de controlar motores de corrente contínua diretamente a partir de sinais elétricos, permitindo desde o controle de sentido de giro até o controle de potência e velocidade.
Aqui esta um circuito simples de um ponte H, que serve para alterar os valores de 0 para 1 e de 1 para 0.
 Existem vários tipos de pontes H feitos com CI (Circuitos Integrados) que conheço é o L293D (que usei no meu motorshield), L293B e o L298, mas existem outros tipos.
Também pode fazer com transistor, com esse componente tem vários tipos de montagens usando só transistores NPN ou só PNP. Para montar a ponte H com transistores é necessário de quatro componentes para acionar um motor de corrente continua. 
2.4 Transistor
Começou já no tempo em que eram utilizadas válvulas nos computadores. O foco das pesquisas da época era justamente o aperfeiçoamento e redução do tamanho das válvulas, além do aumento de sua eficiência, pois elas consumiam muita energia.
Portanto, era necessário que as válvulas fossem substituídas por um novo componente menor e mais barato. As pesquisas militares começavam a ficar cada vez mais complexas e demandavam que os computadores tivessem seu tamanho reduzido e pudessem trabalhar em frequências maiores. As válvulas não eram capazes disso, levando os cientistas a procurarem outros componentes.
Em novembro de 1947, os cientistas do laboratório da Bell Telephone descobriram o transistor, apesar de suas pesquisas tentarem ir para outra direção. Eles verificaram que quando aplicada certa tensão a um dos terminais do componente, o sinal que saía no outro terminal era amplificado. Sendo assim, o transistor se tornou o responsável pela amplificação de sinal, além de servir como um controlador que interrompe ou libera a passagem de corrente elétrica.
Todo transistor possui três terminais, que são as “perninhas” que você pode ver na imagem abaixo. Um dos terminais recebe a tensão elétrica e o outro envia o sinal amplificado. O terminal do meio é o responsável pelo controle desse processo, pois a corrente elétrica entra e sai pelos outros dois terminais somente quando é aplicada tensão elétrica ao terminal do meio.
2.5 Sensores ópticos
São Sensores cujo funcionamento é feito pela emissão de um feixe de luz, o qual é recebido por um elemento fotossensível, basicamente são divididos em três sistemas: Barreira, Difusão e Reflexão, são utilizadas em diversas áreas: Industrial em sistema automático e de segurança pessoal, residencial e predial como alarmes.
Na indústria são muito utilizados, por exemplo, em sistemas de contagem de peças, determinação de fim de curso, e sistemas de segurança, os sensores em geral incluindo os sensores ópticos podem ser encontrados em duas versões PNP, e NPN, já que são em sua grande maioria baseados em transistores, a tensão mais comum entre esses sensores é de 24VDC, padrão no meio industrial e de fácil integração com Controladores Lógico Programável.
A grande vantagem desse tipo de sensoriamento é o não contato com o sistema que será monitorado, desta forma se evita problemas mecânicos permite, por exemplo, que a leitura (contagem de peças, etc.) se já feita em movimento, o que garante que o sensoriamento ocorra sem interrupção do processo de fabricação.
 
2.6 Parafusos de Fuso
O Parafuso é um eixo com um sulco ou uma linha helicoidal dado forma em sua superfície. Seus usos principais são como um prendedor que engata os objetos pode também ser definido como um plano inclinado envolvido em torno de um eixo. Apesar de estes componentes estarem presentes em quase todos os aparelhos do nosso cotidiano, quase sempre passam despercebidos.
Assim o parafuso de fuso tem diversos tipos de tamanho e estrutura de rosca, que soa utilizada por diversas maquinas e de varia formas, ajudando a ter um desempenho melhor e um modo eficiente de movimentar certos objetos ou estruturas.
2. 7 Circuitos digitais
Circuitos Digitais ou Circuitos Lógicos são definidos como circuitos eletrônicos que empregam a utilização de sinais elétricos em apenas dois níveis de corrente ou tensão para definir a representação de valores binários.
Circuitos Lógicos baseiam seu funcionamento na lógica binária, que consiste no fato de que toda informação deve ser expressa na forma de dois dígitos (tanto armazenada, como processada), sendo tais dígitos, 0 ou 1. 
Este fato auxilia para a representação de estados de dispositivos que funcionam em dois níveis distintos, sendo estes: ligado/desligado e verdadeiro/falso entre outros.
Os computadores, telefone celular e Blu-ray são alguns exemplos de aparelhos que baseiam a totalidade, ou parte, do seu funcionamento em circuitos digitais.
3 - DESENVOLVIMENTO
Neste Projeto estamos desenvolvendo um portão basculante com a folha de 300x250 feito de madeira assim como sua estrutura onde será fixado, com este portão sendo de madeira se torna uma estrutura mais leve resistente, e por este fato conseguimos utilizar um motor de pequeno porte e um fuso adequado para ele como os outros componentes que serão acrescentados.
 Na estrutura na parte interna das laterais terá uma abertura de seis mm que ficara um pequeno eixo no centro de gravidade da folha do portão que manterá o portão fixo na estrutura no momento de sua abertura ou fechamento, assim como na sua parte superior onde terá dois suportes em cada lateral para segurar o portão em sua subida, assim no portão terá um suporte fixado a um mancal que estará fixado no fuso que esta fixada no motor, então quando o motor é acionado através de uma ponte H transistorizada faz com que o fuso gire no sentindo horário ou anti-horário, determinando se o portão abre ou fecha.
3.1 Matérias Utilizadas 
Motor CC
1 - Motor de correntes continua com redução 
Motor com Redução 12 v 
Tensão nominal:  12vdc
Velocidade sem carga 226 RPM
Corrente máx. rendimento: 700 mA
Potencia: 0,24W
Torque máx. rendimento:  0.08Kgf.cm
1 - Bateria - de 12V - 5mA
 2 - sensores de fim de curso
 
3 - Sensores Ópticos 
 3. 2 Cálculos Aplicados
Motor
Ponte H transistorizada
I = V/R
V = I . R	
3.3 Placas Controladoras
Aqui esta nossa tabela verdade, com 3 entradas e 2 saídas tendo 8 possibilidades.
Expressão Booleana 
SH (SUBIR) = A’. B’. C + A’.B.C’ + A’.B.C + A.B’.C’ + A.B.C’
SAH (DESCER) = A’.B’.C’
Mapa de Karnaugh
SH = A’.C + A’ . B + A. C
SAH = A’.B’.C’
	
Expressão do circuito logico montado no Protheus utilizando 5 AND 5 NOT 2 OR.
Na placa montada vai ter dois CI 74HC08 que são a porta AND, 1 CI 74HC04 que é porta NOT e 1 CI 74HC32 que é a porta OR, e vai ser montada junto com algum outros componentes como um regulador de tensão para converte de 12v para 5 v.
3. 4 Ponte H transistorizada
Aqui esta uma lista dos componentes que utilizamos para o desenvolvimento da nossa ponte h, que tem como função controlar o sentido de giro o motor sendo
ante - horário e horário.
Nesta ponte H utilizaremos dois transistores BC337, dois transistores TIP 42C PNP e dois TIP 41C NPN, quarto diodos de silício 1N4007, dois resistores 470k, dois de 360R, e uma placa padrão 10x10. Assim com todos os componentes e esquema de circuito que será aplicado podemos desenvolver a ponte H transistorizada. 
 
Será alimentada por uma bateria de 12V, funcionando com duas entradas que são o sentido horário e anti-horário, que serão acionados pelo sinal da placa logica que indicara o qual sentido deve ser ativado.
Aqui temos uma imagem que mostra como o fluxo de corrente vai passar na ponte H nos dois sentidos, e então invertendo o sentido de giro do motor.
4- CONCLUSÕES
Assim concluímos que com a combinação de diversos tipos de componentes e varias formas diferentes de serem aplicado para conseguir montar uma parte analógica, digital e mecânica, com todos esses componentes prontos que conseguimos fazer um portão basculante satisfatório e com um ótimo desempenho, mas tudo isso só pode ser feito com estudo e uma pesquisa detalhada de cada componente que foi utilizado em cada etapa do portão basculante, e com a aplicação de cálculos q podemos determina qual matérias seria utilizados, assim conseguimos expandir nosso conhecimento em determinadas áreas que utilizamos para o desenvolvimento desse projeto.
5- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ADAMOWSKI, J. C., FURUKAWA, C. M. Mecatrônica, uma abordagem voltada à automação industrial. Revista Mecatrônica Atual, número 1, outubro-novembro 2001, pp 8-11. ALBUQUERQUE, M. C. & SIMAS FILHO, E. F. Experiência interdisciplinar no ensino de engenharia mecatrônica. Anais: XXXV – Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia. Curitiba: PR, 20007. 
DESCHAMPS, Ana Cristina Firmino et all. As disciplinas de Projetos multidisciplinares no curso de Engenharia Elétrica. Anais: XLI – Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia. Blumenau: RS, 2011. 
FAZENDA, Ivani C. Arantes. Interdisciplinaridade: um projeto em parceria. São Paulo: Loyola, 1993. 
LENGERKE, O., DUTRA, M.S. Mechatronics Education – Synergistic integration of new paradigm for engineering education. Anais: XVI Conem– Congresso Nacional de Engenharia Mecânica. Campina Grande: PB, 2010. 
NOGUEIRA, N. R. Interdisciplinaridade Aplicada. Ed. Érica, São Paulo, 1998. NOGUEIRA, N. R. Pedagogia dos Projetos, uma jornada interdisciplinar rumo ao desenvolvimento das múltiplas inteligências. Ed. Érica, São Paulo, 2001. 
PRADO, Fernando L. Metodologia de Projetos. São Paulo: Saraiva, 2011. 240p. SARKIS, Melconian. Elementos de Máquinas; São Paulo: Érica, 7ª ed, 2005. 
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6- APÊNDICE
Este projeto foi uma ótima forma e aprendizado, conseguimos colocar em pratica quase tudo que nos foi ensinado em sala de aula, e a parti desse projeto podemos utilizar os mesmo conceito para projetar ou recriar de uma forma melhorada outros projetos parecidos ou com o mesmo mecanismo.