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UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP CAMPUS FLAMBOYANT CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA E MECATRÔNICA ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS “Ponte Rolante com Arduino” COMPONENTES DO GRUPO C14697-8 – AMANDA CARDOSO ROSA [EM5P42] C134HC-5 – CLAYTON CESAR MATOS DE SOUZA [EM6Q42] B97958-5 – DANILO ALVES DA SILVA [EM6Q42] C2047H-0 – ERNANE GODOY BORGES ÁVILA [EM6P42] C262II-0 – JAIRO AUGUSTO SILVA CASTRO [EM6P42] B07052-8 – LEONARDO DA SILVA SETTI [EA6P42] C340BB-2 – LORENA SILVA GOMES [EM5P42] C01IJE-0 – LUCIANO NERES AZEVEDO [EM6Q42] C05611-1 – RAFAEL RIBEIRO ALVES [EM6Q42] C32FCI-1 – VICENTE RAPHAEL SOUZA FREITAS [EM5P42] Goiânia 2016 [Ficha] CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA E MECATRÔNICA AMANDA CARDOSO ROSA CLAYTON CESAR MATOS DE SOUZA DANILO ALVES DA SILVA ERNANE GODOY BORGES ÁVILA JAIRO AUGUSTO SILVA CASTRO LEONARDO DA SILVA SETTI LORENA SILVA GOMES LUCIANO NERES AZEVEDO RAFAEL RIBEIRO ALVES VICENTE RAPHAEL SOUZA FREITAS ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS “Ponte Rolante com Arduino” Trabalho de pesquisa e desenvolvimento de protótipo apresentado a Universidade Paulista Campus Flamboyant como exigência parcial para aprovação no 6º semestre do Curso de Engenharia Mecânica e Mecatrônica. Professor Orientador: Sizelizio Castro Goiânia 2016 FICHA CATALOGRÁFICA Azevedo, Luciano Neres, 2016 Relatório de Atividades Práticas Supervisionadas: Ponte Rolante Goiás / Luciano Neres Azevedo Goiânia – Goiás, 2016. Orientador: Prof. Sizelizio Castro. Atividades Práticas Supervisionadas (Graduação) Universidade Paulista Campus Flanboyant – UNIP. Inclui biografia. 1. Ponte Rolante. 2. APS. 3. UNIP. 4. Arduino. CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA E MECATRÔNICA ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS “Ponte Rolante com Arduino” Trabalho de pesquisa e desenvolvimento de protótipo apresentado a Universidade Paulista Campus Flamboyant como exigência parcial para aprovação no 6º semestre do Curso de Engenharia Mecânica e Mecatrônica. Professor Orientador: Sizelizio Castro Aprovado em __/__/__ BANCA EXAMINADORA __________________________________ Prof. Sizelizio Castro Coordenador do curso de Engenharia Mecânica e Mecatrônica Universidade Paulista Campus Flamboyant “A gravidade explica os movimentos dos planetas, mas não pode explicar quem colocou os planetas em movimento. Deus governa todas as coisas e sabe tudo que é ou que pode ser feito.” (Isaac Newton) RESUMO O presente trabalho tem como predominante proposta à pesquisa, planejamento e desenvolvimento de um protótipo de uma ponte rolante que opere com motores elétricos de 12V comandados por Arduino e permita o levantamento e transporte de uma massa padrão para posições pré-estabelecidas. Este relatório tem o objetivo de apresentar em pauta acadêmica o passo a passo da construção através de ilustrações (fotos), além de descrever os materiais e ferramentas utilizadas, expor o esboço do projeto, metodologia, conclusões finais e referências bibliográficas. Todo o trabalho, tanto protótipo quanto parte escrita, está em conformidade com o edital disponibilizado pela coordenação do curso de engenharia da Universidade Paulista Campus Flamboyant. Palavras chaves: Ponte Rolante, Motores Elétricos, Arduino. ABSTRACT The following work has the main propousal of the research, the plaining and the developing of a overhead's crane prototype using eletric powred engines with 12v controlled by Arduino able to lift and transportare a standard load to predefined positions. This report has the objective introduce as a academic work the full process by pictures, and also description of the materials, the tools, the sketches and the methods and all the references. All this work, both the prototype and the theoric, its fully according to the rules defined in the notice published by engineering coordenation of University Paulista Campus Flamboyant. Keywords: Overhead Crane, Eletric Engines, Arduino LISTA DE IMAGENS Figura 2.1: Ponte rolante em siderurgia -------------------------------------------------------------- 14 Figura 2.2: Movimentação da ponte rolante --------------------------------------------------------- 15 Figura 2.3: Exemplo de Estrutura Metálica ---------------------------------------------------------- 16 Figura 3.1: Cálculo das trações na polia -------------------------------------------------------------- 18 Figura 3.2: Diagrama de forças carro superior ------------------------------------------------------ 19 Figura 3.3: Reações de apoio carro superior -------------------------------------------------------- 19 Figura 3.4: Reações de apoio carro inferior --------------------------------------------------------- 20 Figura 3.5: Reações nas rodas e trilho ---------------------------------------------------------------- 20 Figura 3.6: Arduino ---------------------------------------------------------------------------------------- 21 Figura 3.7: Ponte H ---------------------------------------------------------------------------------------- 22 Figura 3.8: Exemplos de motores elétricos ---------------------------------------------------------- 23 Figura 3.9: Circuito eletrônico --------------------------------------------------------------------------- 24 Figura 3.10: Diagrama eletroeletrônico --------------------------------------------------------------- 25 Figura 4.1: Reunião para planejamento -------------------------------------------------------------- 28 Figura 4.2: Estrutura 3D em AutoCAD ---------------------------------------------------------------- 29 Figura 4.3: Mesa montada ------------------------------------------------------------------------------ 30 Figura 4.4: Conjunto eixo, bucha e rolamento ------------------------------------------------------ 31 Figura 4.5: Conjunto de transmissão ------------------------------------------------------------------ 31 Figura 4.6: Montagem dos eixos de transmissão -------------------------------------------------- 32 Figura 4.7: Eixo afixando o motor ---------------------------------------------------------------------- 33 Figura 4.8: Mancais de rolamento tipo flange ------------------------------------------------------- 33 Figura 4.9: Rodizio termoplástico ---------------------------------------------------------------------- 34 Figura 4.10: Mancal adaptado com suporte de rodizio ------------------------------------------- 35 Figura 4.11: Vista lateral do mancal adaptado ------------------------------------------------------ 35 Figura 4.12: Sistema de issagem ---------------------------------------------------------------------- 36 Figura 4.13: Caixa de comando visão interna -------------------------------------------------------37 Figura 4.14: Caixa de comando visão externa ------------------------------------------------------ 37 Figura 4.15: Plotagem da estrutura -------------------------------------------------------------------- 38 Figura 4.16: Mesa e carros plotados ------------------------------------------------------------------ 38 Figura 4.17: Teste final ----------------------------------------------------------------------------------- 39 Figura 6.1: Componentes do grupo -------------------------------------------------------------------- 41 LISTA DE TABELAS Tabela 01: Custos do projeto ----------------------------------------------------------------------- 39 LISTA DE SIMBOLOS T1 Tração 01 no cabo de issagem T2 Tração 02 no cabo de issagem V Volume V¹ Volume modular m massa Pr Peso dos rolamentos Pp Peso dos porcas e parafusos Pm Peso dos motores Pc1 Peso do carro 1 Pc2 Peso do carro 2 Os Peso da mesa/sustentação Pt Peso total da estrutura N Reação década roda do carro 1 Q Reação de cada roda do carro 2 SUMÁRIO INTRODUÇÃO ---------------------------------------------------------------------------------------- 12 1 OBJETIVO ------------------------------------------------------------------------------------------ 13 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA --------------------------------------------------------------- 14 2.1 Ponte rolante ------------------------------------------------------------------------------------ 14 2.2 Estruturas metálicas ------------------------------------------------------------------------- 15 3 METODOLOGIA ----------------------------------------------------------------------------------- 17 3.1 Considerações do projeto ------------------------------------------------------------------ 17 3.2 Cálculos estrutural ---------------------------------------------------------------------------- 17 3.3 Tecnologia empregada ---------------------------------------------------------------------- 21 3.3.1 Arduino ------------------------------------------------------------------------------------------ 21 3.3.2 Comandos elétricos -------------------------------------------------------------------------- 22 3.3.3 Ponte H ------------------------------------------------------------------------------------------ 22 3.3.4 Motores elétricos ------------------------------------------------------------------------------ 23 3.4 Circuito elétrico aplicado ------------------------------------------------------------------- 24 3.4.1 Diagrama eletroeletrônico ------------------------------------------------------------------ 24 3.4.2 Código de programação -------------------------------------------------------------------- 25 4 CONSTRUÇÃO DA PONTE ROLANTE ------------------------------------------------------ 27 4.1 Materiais e ferramentas utilizadas -------------------------------------------------------- 27 4.2 Etapas da construção ------------------------------------------------------------------------- 27 4.2.1 Escolha da tecnologia e do design -------------------------------------------------------- 28 4.2.2 Construção das mesas ----------------------------------------------------------------------- 29 4.2.3 Construção do conjunto mecânico -------------------------------------------------------- 30 4.2.4 Construção do sistema de issagem ------------------------------------------------------- 33 4.2.5 Caixa de comando ---------------------------------------------------------------------------- 36 4.2.6 Acabamento ------------------------------------------------------------------------------------ 38 4.2.7 Teste final --------------------------------------------------------------------------------------- 37 5 CUSTOS DO PROJETO ------------------------------------------------------------------------- 39 6 APRESENTAÇÃO DO PROJETO ------------------------------------------------------------ 41 CONCLUSÃO ----------------------------------------------------------------------------------------- 42 REFERÊNCIAS --------------------------------------------------------------------------------------- 43 12 INTRODUÇÃO Pontes rolantes são equipamentos usados no transporte e elevação de cargas, geralmente em instalações industriais. Trata-se de uma estrutura que fica suspensa, normalmente dentro de uma edificação, e que desloca cargas e materiais no sentido vertical, transversal e longitudinal, sem composta por três itens essenciais: a viga, o carro e a talha. Na indústria é possível encontrar 3 categorias de pontes rolantes, que podem ser móveis ou fixas. A função da ponte rolante é lidar com cargas industriais grandes e pesadas, que não podem ser movidas facilmente de forma manual, em todas as etapas do processo de manufatura, sendo muito comuns em indústrias do ramo siderúrgico, para o procedimento da fabricação do aço, e também em portos para trazer objetos de dentro para fora dos navios ou em movimentação retro portuária. Em resposta a proposta apresentada pela coordenação do curso de engenharia mecânica e mecatrônica da Universidade Paulista, campus Flamboyant, fora construído, segundo as normas do edital disponibilizado, o protótipo de uma ponte rolante controlado por Arduino que fosse capaz de transportar uma carga superior à 100 Newtons seguindo os princípios de funcionamento de uma ponte rolante industrial. De modo a discorrer e apresentar de forma concreta as atividades e objetos de pesquisa já mencionados, além de expor em pauta acadêmica os resultados obtidos com o protótipo desenvolvido, este relatório apresenta de forma simplória um pouco do estudo e da aplicação de vários conceitos ministrados em sala de aula acerca das matérias pertencentes a grade de ensino do curso de Engenharia Básica, as quais podemos mencionar Estática das Estruturas, Elétrica Básica, Eletrônica, Programação de Computadores, Dinâmica dos sólidos, Processos de Fabricação Mecânica e Metrologia. 13 1 OBJETIVO Conforme edital disponibilizado pela própria Universidade Paulista, este trabalho tem como escopo o planejamento, construção e apresentação de um protótipo de uma ponte rolante controlada por Arduino, que permita o transporte de uma massa padrão no sentido vertical, transversal e longitudinal. As normas de construção da ponte contemplam que a mesma deve ter dimensão de 800mm x 800mm, capacidade para 10,0kgf, movimentos de translação no carro superior e inferior utilizando mico controlador Arduino, elevação da carga por motor elétrico de 12 Volts e velocidade de 1 metro por minuto em sua elevação. O edital disponibilizado menciona que a estrutura deve ser construída em aço 1020 (metalon 20x20 mm) tendo altura superior a 1 metro. Em relação a apresentação do projeto, o protótipo deverá ser apresentado próximo as lanchonetes do bloco D, Universidade Paulista, campus Flamboyant. A ponte deverá fazer os seguintes movimentos: 1. Içar e mover o corpo de massa padrão (fornecido pelos alunos) da posição inicial fazendo o movimento de translação longitudinal da ponte; 2. Içar e mover o corpo de massa padrão (fornecido pelos alunos) da posição inicial fazendo o movimento translação transversal do carrinho; 3. Içar o corpo de massa padrão (fornecido pelos alunos) até altura de 1m com velocidade de 1,0m/mim. Os critérios para avaliação englobam o respeito as normas de construção, design da ponte, movimento de translação transversal e longitudinal, velocidade de elevação, retorno à posição inicial e trabalho escrito. 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA O planejamento e a construção do protótipo daPonte Rolante com Arduino só foram possíveis graças ao legado de diversos cientistas, matemáticos, físicos, engenheiros, professores e outros, que dedicaram uma parcela significativa de suas vidas em prol do desenvolvimento científico e tecnológico da humanidade. Alguns 14 deste, bem como um breve resumo histórico sobre o enfoque do projeto, serão apresentados a seguir. Confira. 2.1 Ponte rolante Inventada por Bolton & Wright no século XIX, a ponte rolante é um equipamento utilizado para issamento, ou seja, para elevação de cargas, e são compostas basicamente de viga, carro e talha. Podem ser móveis ou fixas, com o propósito de manipular objetos classicamente grandes e pesados, e que não podem ser movidos facilmente de forma manual. Nas indústrias do ramo siderúrgico (Figura 2.1), geralmente são encontradas muitas pontes rolantes para lidar com todo o processo de fabricação do aço e estes equipamentos são também muito utilizados em quase todos os portos de todo o mundo, para trazer objetos de dentro dos navios para fora, ou para movimentações na região retro portuária. Estes guindastes tendem a ser muito grande, apresentam alto custo de aquisição, mas a relação custo x benefício pode ser muito vantajosa e valer a pena a aquisição de um modelo no caso de movimentação de grandes volumes de materiais. Sua construção depende de uma viga que está permanentemente fixada sobre uma estrutura de suporte. Isto pode ser realizado através da construção de uma grua em uma estrutura, ou através da construção de uma plataforma que detenha a viga. Figura 2.1: Ponte rolante em siderurgia Fonte: DEMAG Disponível em: <http://www.demagcranes.com.br/files/content/sites/br/files/B%C3%BChnenbilder /Produkte/Prozesskrane/38263-6e.jpg> 15 Alguns fabricantes de móveis também fazem uso das pontes rolantes, permitindo maior flexibilidade, na montagem e expedição dos produtos. Neste tipo de guindaste, o mecanismo que opera é montado em um carro que corre ao longo do eixo transversal, as pontes podem possuir carros principais e auxiliares, dependendo da operação que se deseja realizar. De acordo com as aplicações os issamentos podem ser realizados através de cabos de aço, corda ou correntes, através do mecanismo do carro, e os objetos podem ser movido horizontalmente ao longo do eixo da própria ponte. Diferente de outros guindastes de lança flexíveis, que através do balanço, permitem que operadores sejam capazes de mover objetos em múltiplas direções, ela só realiza o movimento permitido de translação e o movimento do seu carro ao longo do eixo transversal. 2.2 Estruturas metálicas A estrutura metálica é uma estrutura composta por aço, usada para fabricar suportes internos e para fazer revestimentos exteriores. Elas são formadas por associação de peças metálicas ligadas entre si por meio de solda ou conectores, além de terem seções transversais e comprimentos limitado em função da capacidade dos laminadores e dos transportes disponíveis. Figura 2.2: Movimentação da ponte rolante Fonte: CASTELETTI Disponível em: <http://www.casteletti.com/wp-content/uploads/2012/11/PONTE-ROLANTE-POWER- POINT.pdf>. 16 A estrutura metálica ganhou popularidade no início do século 20 e se difundiu mais ainda após a Segunda Guerra Mundial, quando se tornou mais disponível. Essas estruturas metálicas se tornaram amplamente aceitas devido à eficiência de custo, capacitação de design, além da rápida instalação, sendo hoje muito utilizadas na construção de edifícios, pontes, estádios, aeroportos, guindastes e outros. A estrutura metálica fornece várias vantagens sobre outros materiais de construção, tais como madeira. Por ser totalmente composta por aço, à estrutura metálica é um produto “verde”; é estruturalmente sólido e fabricado seguindo especificações e tolerâncias rígidas. Ela também é eficiente em termos energéticos e extremamente resistente a deformação, tração e dobramento, além de possuir fácil instalação. 3 METODOLOGIA O planejamento e construção do protótipo da Ponte Rolante com Arduino foram regidos pelas normas apresentadas nos itens III, IV e V do edital disponibilizado pela coordenação do curso de engenharia da Universidade Paulista Campus Flamboyant. Além disso, as demais orientações sobre os critérios de avaliação, trabalho escrito, Figura 2.3: Exemplo de estrutura metálica Fonte: Soluções Industriais Disponível em: <http://www.solucoesindustriais.com.br/images/produtos/imagens_10018/p_ predio-comercial-estrutura-metalica-8.jpg> 17 apresentação, postagem do trabalho e sugestão de modelo também estavam contidas no documento disponibilizado. 3.1 Considerações sobre o projeto De modo a manter conformidade com o edital do trabalho, o protótipo da Ponte Rolante com Arduino foi construído a partir de uma estrutura metálica de aço carbono 1020 nas dimensões de 20x20 milímetros, também conhecida como metalon. Essa estrutura foi dimensionada de modo a contemplar as singularidades do projeto e ao mesmo tempo oferecer o menor custo. Outros pontos serem avaliados no escopo do projeto são a execução dos movimentos de translação longitudinal, transversal e vertical, em que neste último deve ser levantado e transportado um corpo com massa superior à 10kg. Esses movimentos devem originar de motores elétricos alimentados por corrente elétrica contínua com diferencial de potência de 12 Volts, sendo acionados por micro controlador Arduino. 3.2 Cálculo estrutural Saber-se as reações e os tipos de esforços em um projeto estrutural, bem como poder mensurar os seus respectivos valores numéricos, faz total diferença no dimensionamento e, principalmente, no funcionamento dos projetos mecânicos. É evidente que sem a estimativa desses valores, ainda que com largas precisões, pode implicar de maneira pejorativa nos processos de fabricação e no bom êxito do protótipo. Sabendo disso e após uma minuciosa análise dos itens regidos pelo o edital, foram mensurados as reações de apoio e os esforços resultantes nas estruturas metálicas empregada no projeto utilizando conceitos ministrados em sala de aula, ao qual podemos destacar as matérias de Mecânica Vetorial e Estática das estruturas. Vale ressaltar que os cálculos a serem dispostos a seguir não comtemplam todos os fatores que, em uma aplicação real, devem ser estudados e considerados no intuito de corresponder, com a maior aderência possível, à situação proposta. Com base, são necessárias algumas considerações sobre os cálculos apresentados a seguir nas imagens: 18 O peso da polia (P1) é desprezado e, apesar dos apoios remeterem a engastamentos, os momentos e a reação na horizontal são anulados por se tratar de um sistema regido pela simetria das forças; A reações (P2) e (P3) não possuem sumário por se tratarem de variáveis utilizadas apenas para fins matemáticos; Gravidade adotada sendo igual à 9.76 m/s³; A estrutura metálica de todo o protótipo é simétrica, portanto o somatório das reações verticais pode ser feito de maneira direta e os apoios terão reações idênticas. Note que, em um sistema de issamento que utiliza polias, a força necessária para se levantar uma dada carga é dividida em duas componentes de tração. O diagrama a seguir mostra como se comportam as reações de apoio no carro superior, bem como a ação da tensão cisalhante e o momento fletor. É válido lembrar que a simetria na construção da estrutura metálica do carrinho faz a distribuição de maneira igualitária sobra o carro superior, e também por toda estrutura, ao qual podemos notarao visualizar o diagrama de forças. Veja: Figura 3.1: Cálculo das trações na polia Fonte: Acervo Pessoal 19 Apenas ressaltando que, os esforços relatados na Figura 3.2 são referentes ao issamento da carga no sistema polia. Já as reações que associam o peso do carro superior estão apresentadas na Figura 3.3. Figura 3.2: Diagrama de forças carro superior Fonte: Acervo Pessoal Figura 3.3: Reações de apoio carro superior Fonte: Acervo Pessoal 20 As mesmas considerações valem para o carro inferior. Portanto teremos: O último fator observado acerca da estrutura metálica e seus componentes foram os esforços que atuariam nas rodinhas e, consequentemente, no trilho. Veja a Figura 3.5. Figura 3.4: Reações de apoio carro inferior Fonte: Acervo Pessoal Figura 3.5: Reações nas rodas e trilho Fonte: Acervo Pessoal 21 3.3 Tecnologia empregada A partir do cálculo das reações na estrutura metálica do protótipo, o passo seguinte referente ao processo de fabricação do protótipo foi a escolha da tecnologia a ser empregada. De modo a manter conformidade com as normas regulamentadoras apresentadas no edital e a disposição do grupo, acabamos escolhendo o Comando Elétrico, associado a componentes eletrônicos, como principal mecanismo a ser empregado devido a sua praticidade e extensa aplicação. 3.3.1 Arduino O Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre e de placa única com linguagem de programação padrão C/C++, que por sua vez são linguagens de programação compiladas multi-paradigma e de uso geral. Foi desenvolvido na Itália em 2005 com o intuito de interagir em projetos escolares de forma a ter um orçamento menor que outros sistemas de prototipagem disponíveis naquela época. Voltado a profissionais, mas também a estudantes e hobbystas, o Arduino funciona de forma autônoma, mas é programado por meio de um ambiente (relativamente) amigável que você instala no seu computador (Linux, Mac ou Windows). Ele é dotado de acessórios inteligentes, denominados shields, que Figura 3.6: Arduino Fonte: Enbarcados – Sua fonte de Informação Disponível em: < https://www.embarcados.com.br/wp-content/uploads/2013/ 11/Arduino-Primeiros-passos-destaque-696x418.jpg> 22 ampliam suas funcionalidades de acordo com a demanda de cada projeto: você pode instalar shields que acrescentem a funcionalidade de GPS, ou de conexão à rede local, por exemplo. 3.3.2 Comandos elétricos Por definição, os comandos elétricos são dispositivos elétricos ou eletrônicos usados para acionar motores elétricos, como também outros equipamentos elétricos, sendo compostos por uma variedade de peças e elementos como contatores, botões temporizadores, relés térmicos e fusíveis. Permitem um controle sobre o funcionamento das máquinas, evitando, ao mesmo tempo, manejo inadequado pelo usuário e, além disso, dispõe de mecanismos de proteção para a máquina e para o usuário, melhorando o conforto para manejar máquinas e possibilitando também controle remoto das máquinas. 3.3.3 Ponte H Ponte H é um circuito eletrônico que permite variar velocidades de um motor DC, assim como comutar o sentido de rotação dos motores, através de um sinal PWM (Pulse Width Modulation ou Modulação de Largura de Pulso). Estes circuitos são muito utilizados em robótica e estão disponíveis em circuitos prontos ou podem ser construídos por componentes. Figura 3.7: Ponte H Fonte: Baú da Eletrônica Disponível em: < http://lghttp.57222.nexcesscdn.net/803B362/magento/media/catalog/ product/cache/1/image/650x/040ec09b1e35df139433887a97daa66f/l/2/l298n-ponte-h.jpg> 23 3.3.4 Motores elétricos Um motor elétrico é um dispositivo que funciona com corrente alternada ou contínua e que converte a energia elétrica em movimento ou em energia mecânica. Desde sua invenção, os motores elétricos são ferramentas muito úteis para realizar diversos tipos de tarefas e se encontram em diversos objetos como ventiladores, eletrodomésticos, automóveis e etc. Bases de um motor elétrico: Todo motor se baseia na ideia de que o magnetismo produz uma força física que move os objetos. E depende de imãs que podem atrair ou repelir outro imã. Nos motores é utilizado a eletricidade para criar campos magnéticos que se opõe entre si, de modo que movam uma parte giratória chamada Rotor. No Rotor se encontra a bobina que tem o campo magnético oposto ao da parte estática do motor. O campo magnético desta parte gera imãs permanentes e a ação repelente destes polos opostos é o que faz com o que o rotor começa a girar, transmitindo energia mecânica. Os motores de corrente contínua são mais primitivos que os de corrente alternada porém podem ser úteis em lugares que não exista uma fonte de corrente elétrica. A engenharia moderna realizou grandes invenções e o motor elétrico é um exemplo disso. Apesar do magnetismo ser estudado por muitos anos, a utilização disso para criar energia mecânica é algo novo. Figura 3.8: Exemplo de motores elétricos Fonte: Portal Eletricista Disponível em: <http://www.portaleletricista.com.br/wp-content/uploads/ 2015/02/motores-eletricos.jpg> 24 3.3 Circuito elétrico aplicado De fato, foi necessário adaptar vários dispositivos elétricos e eletrônicos para que fosse possível alcançar a funcionalidade do protótipo, mas foram mantidos todos os princípios fundamentais acerca do emprego de comandos elétricos em conjunto com a plataforma Arduino. 3.3.1 Diagrama eletroeletrônico A parte eletroeletrônica do protótipo da Ponte Rolante com Arduino, ao qual engloba a caixa de comando e o sistema de força, foi constituído basicamente de botoeiras de acionamento, plataforma de prototipagem eletrônica Arduino, driver motor ponte H e motores elétricos que trabalham em corrente contínua à 12V. Confira a seguir o diagrama elétrico/eletrônico. Vale lembrar que o circuito exposto na Figura 3.9 faz menção a apenas um motor elétrico, situação que é praticamente repetida nos outros dois motores, onde ocorre apenas a triplicação dos contatos ligados ao Arduino e fonte de alimentação 12v DC, além do uso de outras duas pontes H. De modo a abranger todas as ligações pertinentes ao sistema de comando e de força, fora desenvolvido o diagrama eletroeletrônico do projeto ao qual serviu de Figura 3.9: Circuito eletrônico Fonte: Arduino e Cia Disponível em: <http://2.bp.blogspot.com/-zriE64I1kz8/U_zgiFwLh- I/AAAAAAAAClM/i2OzWl_2i9s/s1600/Circuito-L298N-motor-de-passo.png> 25 guia no momento da montagem da caixa de comando (item 4.2.5 deste documento). Segue abaixo o referido esquema: 3.3.2 Código de programação Como já fora mencionado anteriormente, o Arduino opera com linguagem de programação padrão C/C++, o que permite a conversão de ideias para uma forma ao qual ele consiga processar. Essa conversão foi realizada em compilador chamado ambiente de desenvolvimento ou simplesmente IDE (do inglês Integrated Development Environment) e essas instruções é chamada de algoritmo ou programa. A seguir, se encontra o algoritmo empregado no protótipo da Ponte Rolante com Arduino: //Programa: Ponte Rolante com Arduino //APS – Atividade Pratica Supervisionada void setup() { pinMode(2, INPUT_PULLUP); pinMode(3, INPUT_PULLUP); pinMode(4, INPUT_PULLUP); pinMode(5, INPUT_PULLUP); pinMode(6, INPUT_PULLUP); Figura 3.10: Diagrama eletroeletronico Fonte: Acervo pessoal 26 pinMode(7, INPUT_PULLUP); pinMode(8, OUTPUT);pinMode(9, OUTPUT); pinMode(10, OUTPUT); pinMode(11, OUTPUT); pinMode(12, OUTPUT); pinMode(13, OUTPUT); Serial.begin(9600); } void loop() { if(digitalRead (2) == '1') digitalWrite(8 , HIGH); if(digitalRead (2) == '0') digitalWrite(8 , LOW); if(digitalRead (3) == '1') digitalWrite(9 , HIGH); if(digitalRead (3) == '0') digitalWrite(9 , LOW); if(digitalRead (4) == '1') digitalWrite(10 , HIGH); if(digitalRead (4) == '0') digitalWrite(10 , LOW); if(digitalRead (5) == '1') digitalWrite(11 , HIGH); if(digitalRead (5) == '0') digitalWrite(11 , LOW); if(digitalRead (6) == '1') digitalWrite(12 , HIGH); if(digitalRead (6) == '0') digitalWrite(12 , LOW); if(digitalRead (7) == '1') digitalWrite(13 , HIGH); if(digitalRead (7) == '0') digitalWrite(13 , LOW); } 27 4 CONTRUÇÃO DA PONTE ROLANTE 4.1 Materiais e ferramentas utilizadas Segue abaixo a lista contendo os principais materiais e as ferramentas utilizadas durante o processo de fabricação e montagem do protótipo da Ponte Rolante com Arduino. • 18m Aço 1020 20mm x 20mm • 18m de barras rosqueada de 3/8‘’ • 60 porcas e 60 arruelas 3/8’’ • Broca 3/8’’ • 2m de barra rosqueada 3/16’’ • 30 porcas e 30 arruelas 3/16’’ • Broca 3/16’’ • 1 Cola para rosca • 2 Suportes de rodas • 8 Rolamentos blindados de 20mm • 2 Rolamentos para mancais 20mm • 9 Abraçadeira • 1 Arduino UNO • 3 Ponte H L298N • 1 Protoboard • 8 Rodas de tecnil • 1 Eixo de issagem de tecnil • 2,5m de cabo de aço revestido 1/8’’ • 2 Fixadores de cabo • 1 Rosca soberba • 1 Gancho de poço • 3 Motores mabuchi 12v • 3 Botoeiras de acionamento • 3 Potenciômetro • 1 Fonte de computador • Fio paralelo cristal 2x0,75 • 20 Conectores fêmeas • 1 Caixa de madeira • Cola quente • Fitas de marcação de solo • Furadeira fixa e móvel • Fresadora • Torno convencional • Lixadeira • Alicate de pressão • Chave de boca n° 15 • Chave de boca n° 7 • Arco de serra • Morsa • Máquina de solda MIG • Máquina de solda estanho • Marreta 4.1 Etapas da construção O processo de planejamento e construção do protótipo da ponte rolante basicamente ficou dividido em 6 etapas (planejamento, compra dos componentes, 28 montagem, ajustes, testes dos carros e teste de issagem), mas é claro que se trata de um trabalho bem mais amplo e minucioso do qual não cabe ser empregado à risca neste documento por sua extensão. Confira a seguir o passo a passo referente as etapas mais importantes acerca da criação do projeto. 4.2.1 Escolha dos parâmetros e do design Antes de mais nada, fez-se mais que necessária a escolha dos parâmetros a serem seguidos para dar início as atividades referentes a construção do protótipo. Após várias pesquisas e discursões sobre qual a melhor maneira de se aplicar a tecnologia solicitada, chegamos à conclusão que, assim como mencionado anteriormente, o sistema da ponte rolante englobaria princípios da eletrônica digital e comandos elétricos, além de linguagem de programação C/C++. A partir daí, começou a se pensar no quesito design de modo que representasse bem o grupo, expressando originalidade, sofisticação e personalidades definidas, o que felizmente foi bem expresso com a proposta de uma ponte rolante que seja ajustável, permitindo, por meio de elementos de fixação não permanentes, maior facilidade acerca dos processos de montagem, regulagem e desmontagem do protótipo. Figura 4.1: Reunião para planejamento Fonte: Acervo Pessoal 29 A partir de então, pensou-se em visualizar como seria propriamente dita a estrutura metálica a ser confeccionada, quais as dificuldades a serem encontradas e como solucionar eventuais falhas no projeto. Com a ajuda de softwares de modelagem, foi possível enxergar com maios clarezas como e quais seriam as singularidades do protótipo. A seguir, a Figura 4.2 representa o esboço do projeto em 3D simulado no AutoCAD. NOTA: Para tornar possível o projeto ser auto ajustável, tivemos que fazer 80% das fixações com o conjunto de barras rosqueadas, arruelas e porcas, tendo em vista a liberdade de posicionamento no projeto por se tratar de elementos de fixação não permanentes. 4.2.2 Construção das mesas A mesa e os carros foram as únicas partes em que fora utilizada a solda como elemento de fixação em virtude de proporcionar mais segurança e estabilidade de sustentação no projeto. Todos os recortes foram feitos com um esquadro de 45° em suas pontas. Este ângulo foi escolhido com o intuito de fornecer um melhor encaixe nas barras de sustentação da mesa, ao qual há um recorte rebaixado em 30 mm para Figura 4.2: Estrutura 3D em AutoCAD Fonte: Acervo Pessoal 30 dispor um perfeito acoplamento as hastes de sustentação e, no caso do carro inferior e superior, um melhor acabamento. 4.2.3 Construção do conjunto mecânico Depois de muitos debates, ideias e propostas sobre os mancais, as rodas e principalmente sobre a transmissão do conjunto motor-roda, optamos por fabricar rodinhas de tecnil nas quais os eixos de transmissão seriam as próprias barras rosqueadas e, como mancal, foram utilizados dois rolamentos em cada conjunto de transmissão. Tendo em vista que o diâmetro interno dos rolamentos a nossa disposição era bem maior que o diâmetro externo da barra rosqueada, decidimos usinar buchas em tecnil buchas de modo promover encaixa do rolamento na barra rosqueada mediante a um ajuste com interferência, porém, mantendo a facilidade de montagem e desmontagem dos componentes. A partir da decisão de como e quais seriam as partes integrantes dos conjuntos mecânicos no sistema mancal de rolamento e eixo, começou o processo de usinagem e ajustagem dos componentes que iriam promover os movimentos transversais e Figura 4.3 – Mesa montada Fonte: Acervo Pessoal 31 longitudinais dos carros de cima estrutura metálica. Observe a seguir as figuras 4.4 e 4.5. Para realizar a fixação dos eixos de transmissão nos carros, foram usadas braçadeiras de 5/8’’ que nos possibilitou liberdade no posicionamento dos rolamentos Figura 4.4: Conjunto eixo, bucha e rolamento Fonte: Acervo Pessoal Figura 4.5: Conjunto de transmissão Fonte: Acervo Pessoal 32 com função de mancal em cada um dos carros. Decidimos por instalar os rolamentos- mancais o mais próximo possível das rodas (Figura 4.6) para evitar que a flexão dos eixos de transmissão, situação ao qual poderia influenciar pejorativamente no correr dos carros em seus trilhos. Um dos problemas percebido apenas durante o processo de montagem do protótipo envolvia a maneira mais oportuna de se fazer a transmissão de movimento entre a engrenagem presente no motor elétrico e a barra rosqueada. Depois de várias discursões acerca do assunto, grupo decidiu por abrir um furo na engrenagem do motor e fazer o encaixe por meio de rosca, utilizando um macho de 3/8” (três oitavos de polegada). De modo a garantir que o motor não viesse a se desenroscar durante a execução dos movimentos, utilizamos de porcas e arruelas para proporcionar um travamento sob pressão, ao qual propôs segurança a conexão e manteve também o aspecto modular ao protótipo. Ainda sobre os encaixes e ajustes envolvendo os motores elétricos no sistema de transmissão de movimento transversal e longitudinal, fora afixado na estrutura metálica lateral do carro superior e inferior um único conjunto,em cada carro, com uma barra 3/16’’ (três dezesseis avos de polegada) e suas respectivas porcas e Figura 4.6: Montagem dos eixos de transmissão Fonte: Acervo Pessoal 33 arruelas para prender os motores, evitando que este realizasse movimento de rotação durante a translação dos carros. 4.2.4 Construção do sistema de issagem Figura 4.7: Eixo afixando o motor Fonte: Acervo Pessoal Figura 4.8: Mancais de rolamento tipo flange Fonte: Acervo Pessoal 34 A proposta inicial do sistema de issagem seguiria o esboço 3D feito no AutoCad, utilizando chapas de acho 1020 e mancais de rolamento do tipo flange. Porém, como nada é perfeito neste mundo, ouve um erro no momento da escolha e compra do conjunto mancal rolamento, aonde não foi possível adequar esse tipo de estrutura de forma benéfica ao nosso protótipo. Diante dessa problemática, procuramos adaptar da melhor maneira possível os materiais e componentes que já possuíamos em mãos ao, até então, indissolúvel dilema. Pensamos e repensamos até que, semelhante ao curioso caso entre a maçã e a cabeça de Isaac Newton, uma ideia brotou como um passe de mágica: utilizar a estrutura de aço de dois rodizio termoplásticos, Figura 4.9, comprados ao acaso como mancal de deslizamento. Este suporte foi aberto através de marteladas e cortado ao meio com o auxílio de uma lixadeira, aproveitando-se assim 4 partes iguais a partir de dois rodízios. Os furos que já estavam presentes na estrutura original foram úteis a nova aplicação do componente e, como se pode perceber na Figura 4.10 disposta a seguir, as barras de fixação rosqueadas com diâmetro de 3/16” (três dezesseis avos de polegada) transpassam a estrutura de metalon da mesma maneira que em todas as outras fixações realizadas no projeto. Mais uma vez salientamos a preferência pelos Figura 4.9: Rodizio termoplástico Fonte: Cobequi Disponível em: < http://www.cobequi.com.br/loja/config/imagens_conteudo/produtos /imagensGRD/GRD_1818_1.jpg> 35 elementos de fixação não permanente, aos quais potencializaram os aspectos modulares no protótipo. Figura 4.10: Mancal adaptado com suporte de rodizio Fonte: Acervo Pessoal Figura 4.11: Vista lateral do mancal adaptado Fonte: Acervo Pessoal 36 Já com os mancais em seus respectivos lugares, fora feito a ajustagem do conjunto eixo de issagem, onde fora fabricado uma camisa em tecnil para enrolar o cabo de aço durante a suspensão do peso. Com a ponte rolante já montada, foi possível realizar todos os testes necessários com vários corpos de prova e, obviamente, com o peso padrão de massa 10kg regulamentado pelo edital. É válido lembrar que o sistema de polia aplicado na issagem proporcionou redução de 50% da carga a ser erguida pelo motor, fato melhor explicado na seção 3.2 deste documento. Abaixo, segue os links para os vídeos dos testes preliminares realizados, disponíveis em plataforma YouTube. Teste Estrutural: <https://youtu.be/AR8AFkbI2g8> Teste de Issagem: <https://youtu.be/rtoBw7Xb5VU> 4.2.5 Caixa de comando A caixa de comando foi feita com o acoplamento das 3 botoeiras em uma caixa de madeira pintada de preto e com detalhes no formato de engrenagens em dourado. O sistema elétrico, por sua vez já representado na Figura 3.9, é alimentado por uma fonte de conversora, retirada de um computador, cujo a entrada é 220v em tensão Figura 4.12: Sistema de issagem Fonte: Acervo Pessoal 37 alternada e a saída são 12v de corrente contínua com intensidade de 15 A. Veja as Figuras 4.13 e 4.14. Figura 4.13: Montagem da caixa de comando Fonte: Acervo Pessoal Figura 4.14: Caixa de comando visão externa Fonte: Acervo Pessoal 38 4.2.6 Acabamento Visando poupar esforços e dar um bom acabamento, usarmos fita para marcação de solo para plotar toda a estrutura da ponte rolante, opção que se fez bem mais atrativa do que a pintura convencional. Figura 4.15: Plotagem da estrutura Fonte: Acervo pessoal Figura 4.16: Projeto finalizado Fonte: Acervo Pessoal 39 4.2.7 Teste final Com todos os elementos estruturais já montados, mesa e carros plotados e com os controles devidamente instalado na caixa de comandos, fora realizado o teste final. Acesse <https://goo.gl/photos/rAQtNpJA4WfDGM3u7> e confira o teste final. 5 CUSTOS DO PROJETO Bem como qualquer empreendimento, o projeto e a execução da Ponte Rolante com Arduino também tiveram seus custos, além de tempo e dedicação para enfim executar e finalizar o projeto com sucesso. Em meio ao planejamento do protótipo, foi visada a economia de recursos e materiais desde o início no intuito de reduzir os gastos e desperdícios. A seguir, a relação dos materiais utilizados e seus respectivos valores. Tabela 01: Custos do projeto Peça Local Nota Valor Rolamentos Tipo 01 Dinasol Fiscal 92,00 Mancal Dinasol Fiscal 16,00 Arduino Uno Mercado Livre Fiscal 69,90 Figura 4.17: Teste final Fonte: Acervo Pessoal 40 Ponte H L298N Mercado Livre Fiscal 74,70 Barra Rosqueada 3/8 RPM Fiscal 36,00 Porca RPM Fiscal 3,30 Arruela RPM Fiscal 2,49 Protoboard Mercado Livre Fiscal 29,90 Tecnil Casa das Chapas Fiscal 22,00 Chapa 3/8 Ferro e aço dourado Fiscal 20,00 Ferragista Ferragista Fiscal 18,00 Ferragista Ferragista Fiscal 25,00 Caixa de comando Veronica Fiscal 87,00 Braçadeiras Giseldo Onofre Santos Fiscal 4,00 Porcas Giseldo Onofre Santos Fiscal 5,75 Arruela Giseldo Onofre Santos Fiscal 4,75 Porcas Nacional Borrachas Fiscal 50,00 Cabos Multi eletricidade Fiscal 4,00 Roldana/ cabo de aço / fixadores Martins Maquinas e ferramentas Fiscal 23,45 Componentes Eletrônicos Sellnet Tecnologia Fiscal 30,00 Porcas/ barra rosqueada Circular parafusos Fiscal 4,00 Barra rosqueada/ broca Circular parafusos Fiscal 7,00 Porcas/ trava parafusos Circular parafusos Fiscal 17,00 Chapinhas de aço Ferro e aço Dourado Fiscal 20,00 Barra rosqueada 3/8 RPM Fiscal 12,00 Organiza fio Mozaico ferramentas Fiscal 5,00 Fitas adesivas Capitão américa Fiscal 54,00 Terminal fêmea Santos Dumont Fiscal 4,50 Fita Isolante Ferragista Fiscal 6,15 Motores, botões, roda DF peças e acessórios LTDA Fiscal 210,00 Aço 1020 Metalúrgica Regis Fiscal 125,00 Montagem da Mesa Metalúrgica Brasil Anotação 58,00 TOTAL 1.140,89 Apesar do custo do protótipo ter ficado relativamente alto em virtude de sua complexidade, o valor individual ficou em R$115,00 o que não se configura como tão oneroso. Além disso, deste o início das atividades visou-se a economia como um dos priores para o projeto, aliado a praticidade e inovação, de modo a garantir a maximização dos resultados esperados com o mínimo de recursos possíveis. 41 6 APRESENTAÇÃO DO PROJETO A apresentação do protótipo foi realizada no dia 12 de novembro de 2016, às 10 horas e 30 minutos, no bloco de D da Universidade Paulista de Goiânia (Campus Flamboyant). Esta consistia em içar um corpo com massa de 10kg a uma altura de 1m com uma velocidade de 1metro/minuto e posteriormente desloca-lo longitudinalmente e transversalmente, retornando, por fim, a posição inicial com a descida da carga. Todo este processo foi minunciosamenteavaliado e cronometrado pelo professor Clodoaldo Valverde com base nos critérios pré-estabelecidos no edital. Mediante a avaliação do professor Clodoaldo e na ciência de que todos os critérios previstos no item V do edital foram respeitados, obtemos nota máxima (4,5) no que se refere a apresentação do protótipo. NOTA: O projeto exposto neste relatório é uma extensão do protótipo de Ponte Rolante apresentada em maio de 2016 por parte do grupo responsável por este documento à Universidade Paulista. Para mais informações sobre o protótipo anterior, acesse: <https://www.academia.edu/29952106/APS_ENGENHARIA_MEC%C3%82NICA_UNIP_V_SEMESTRE_-_PONTE_ ROLANTE> . Figura 6.1: Componentes do Grupo Fonte: Acervo Pessoal 42 CONCLUSÃO Marcados por grandes desafios e superações, o planejamento, a pesquisa, a execução e a apresentação do protótipo da Ponte Rolante com Arduino como exigência parcial para aprovação no 6º semestre do curso de engenharia Mecânica e Mecatrônica se fez uma experiência ímpar, cheia de conteúdos que agregam em muito na formação acadêmica e pessoal de qualquer indivíduo. O contato de aproximação com novas tecnologias que são tendência de prosperidade para o futuro nos instigou a querer fazer parte deste processo com mais afinco, colocando à disposição do progresso tecnológico e da humanidade os esforços que empregamos durante os anos de estudo vivenciados neste início de carreira e que ainda teremos pera frente. Através de pesquisas e discursões, a temática sobre os princípios de funcionamento de uma ponte rolante, bem como sua estrutura e particularidades, nos possibilitou formular a fundamentação teórica e execução na prática deste protótipo É verídico afirmar o quão rico e fascinante são os conceitos físicos inseridos neste contexto que vão deste a física clássica a física atual, utilizando e colocando a prova o legado de vários cientistas renomados, como por exemplo, o pai da física moderna, Isaac Newton. Em resumo, a proposta de atividade supervisionada foi de grande valia para a nossa formação acadêmica, levando em consideração toda a temática e dinamismo existentes no trabalho apresentado. A pesar dos vários contratempos, conseguimos finalizar com êxito o protótipo até a data prevista, apresentando-o a comissão avaliadora, representada na pessoa do professor Clodoaldo Valverde, no dia 12 de novembro de 2016, ás 10 horas e 30 minutos no hall de entrada do campus da Universidade Paulista de Goiânia (Campus Flamboyant), alcançando nota máxima (4,5) pelo desenvolvimento e execução do protótipo. 43 REFERÊNCIAS WILEY, John – Fundamentals of Physics. Sixth Edition Copyright, 2001. Direitos exclusivos para a língua portuguesa: LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2002. GERE, James M; GOODNO, Barry J - Mecânica dos Materiais. Tradução da 7ª Edição Norte-Americana, 2010. Editora Cengage Learning, Brasil, 2010. HIBBELER, R. C. – Resistência de Materiais. 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