Técnicas de projeto aplicadas no desenvolvimento de um microposicionador angular

148 Pages·2011·1.51 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

TÉCNICAS DE PROJETO APLICADAS NO
DESENVOLVIMENTO DE UM MICROPOSICIONADOR
ANGULAR

LUCIANA MONTANARI, Enga. Mecânica

Dissertação apresentada à Escola de
Engenharia de São Carlos,
Universidade de São Paulo, como
parte dos requisitos para obtenção do
título de Mestre em Engenharia
Mecânica

Orientador: Prof. Jaime Gilberto Duduch, Ph.D.

São Carlos
- 1999 -

Aos meus pais Heitor e Zélia,
aos meus irmãos Nelci, Suzelei, Adevair e Geovana
e a minha sobrinha Anna.
AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus por tudo.
Ao Prof. Dr. Jaime Gilberto Duduch pela orientação e amizade.
Ao meu grande amigo e Co-orientador Prof. Juan Carlos Campos
Rubio (UFMG) pela sugestões, discussões e empenho em ajudar-me em
toda a realização desse trabalho.
Ao Fernando Santoro pelas discussões sobre modelagem e
simulações, pela sua paciência e especialmente pela sua amizade.
À Kelen e Gi por serem grandes amigas e companheiras.
Ao Prof. Dr. Rosalvo Tiago Ruffino pelas dicas sobre teoria de projeto.
Aos meus amigos e companheiros de laboratório Helder, Renatão,
Pagotto e Rogério pela ajuda e discussões sobre o trabalho, além de
proporcionarem um ótimo ambiente de trabalho.
Ao Prof. Dr. Arthur José Vieira Porto pela ajuda sempre que
necessária.
Ao Godoy que ajudou-me, principalmente com problemas
relacionados a computador e especialmente pelo seu companheirismo.
Aos meus amigos da pós Fabiana, Rodrigo, Mariano, Volnei, Ana
Lúcia, Marcello (Barata), Marcelo (Barrão), Claudião, Zé Luiz, Geraldo,
Celso, Neilor, Teodora, Richard, Panamá, Alexandre (Chiquinho), Alexandre,
Klauss, Dinho, Schammas, Leonardo, Rogério, Paulo, Jalon, Fabrício Flores,
Fabrício Tadeu, Vagner, Rosenda, Denise, Toddy, Luciano.
Ao José pelas discussões relacionadas a problemas matemáticos.
Ao Deivid e ao Gustavo Cristiano Pereira pela ajuda nos desenhos.
À D. Nilza e Sr. Romualdo pelo carinho e atenção com que me
receberam e aos deliciosos almoços de domingo.
Às meninas da secretaria, Ana Paula e Beth, pela disposição em
ajudar-me sempre que necessário. Em especial à Beth pelas suas orações e
carinho.
Ao Fer pela sua amizade e ajuda desde a minha chegada a São
Carlos.
Aos meus amigos do vôlei: Marisa, Cecília, Tati, Sabrina, Cris,
Juliana, Flávia, Malu, Sissy, Teresinha, Virgínia, Vanessa, Eveline, Virgílio,
James, Batman, Júlio, Tanão, Fabiano, Daniel, Mô, Klein, Marquinhos,
Pochete, Bisteca e Joel.
Ao CNPq pelo apoio financeiro concedido durante o desenvolvimento
deste trabalho.
Agradecimento especial aos meus pais e irmãos pelo incentivo e
apoio em todos os momentos.
Sumário i
SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ......................................................................................iv
LISTA DE TABELAS ......................................................................................vi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ........................................................vii
LISTA DE SÍMBOLOS ..................................................................................viii
RESUMO ........................................................................................................x
ABSTRACT ....................................................................................................xi
1 – INTRODUÇÃO ..........................................................................................1
1.1 - Aspectos gerais .........................................................................1
1.2 - Justificativas ..............................................................................5
1.3 - Objetivos ....................................................................................6
2 - REVISÃO DA LITERATURA .....................................................................9
2.1 - Projeto .......................................................................................9
2.1.1 - A história do projeto em engenharia ...............................9
2.1.2 - Definições de projeto ....................................................11
2.1.3 - Métodos de projeto de engenharia ...............................12
2.1.4 - Métodos sistemáticos de projeto ..................................14
2.1.5 - Morfologia do processo de projeto ................................18
2.1.6 - Modelos prescritivos .....................................................19
2.1.7 - Uma avaliação crítica dos modelos prescritivos ...........30
2.1.8 - Um estudo mais profundo do modelo de Krick .............33
2.1.8.1 - Formulação do problema .....................................34
2.1.8.2 - Análise do problema .............................................35
Sumário ii
2.1.8.3 - Procura de soluções .............................................35
2.1.8.4 - Tomada de decisão ..............................................37
2.1.8.5 - Especificação da solução .....................................42
2.1.9 - Conclusão .....................................................................43
2.2 - Sistemas Posicionadores de Precisão ....................................43
2.2.1 - Considerações gerais ...................................................44
2.2.2 - Classificação dos sistemas de posicionamento ............45
2.2.3 - Estrutura funcional de um posicionador ........................46
2.2.4 - Componentes de um posicionador ...............................48
2.2.4.1 - Guias de movimento ............................................49
2.2.4.2 - Transmissões mecânicas conversoras ................55
2.2.4.3 - Acionamento .......................................................58
2.2.4.4 - Sensores ..............................................................63
2.2.5 - Conclusão .....................................................................70
3 - METODOLOGIA DE PROJETO ..............................................................71
3.1 - A escolha do modelo ...............................................................71
3.2 – Análise técnica ..........................................................................72
3.2.1 - Procura de soluções ....................................................72
3.2.2 - Princípio de funcionamento...........................................74
3.2..3 - Análise de valor ............................................................75
4 – MODELAGEM CINEMÁTICA .................................................................79
4.1 – Introdução ................................................................................79
4.2 – Definição de Matriz de Transformação Homogênea ...............79
4.2.1 - Movimento de translação ..............................................81
4.2.2 - Movimento de rotação ..................................................83
Sumário iii
4.3 - Descrição do mecanismo ........................................................86
4.4 - Sistema de coordenadas cartesianas .....................................87
4.5 - Análise cinemática ...................................................................89
4.6 - Descrição dos movimentos para os atuadores .......................89
4.6.1 - Atuador B ......................................................................90
4.6.2 - Atuador A ......................................................................94
4.6.3 - Atuador C ......................................................................98
5 – SIMULAÇÕES ......................................................................................105
6 - CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .......114
BIBLIOGRAFIA ...........................................................................................118
APÊNDICE – Desenhos do microposicionador angular
Lista de Figuras iv

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1.1 – O desenvolvimento da usinagem no século XX (TANIGUCHI,
1983) .........................................................................................2
FIGURA 1.2: Esquema da localização do posicionador. ................................7
FIGURA 2.1 – Representação de um sistema .............................................16
FIGURA 2.2 – Decomposição da caixa preta ...............................................16
FIGURA 2.3 – Modelo de Watts (EVBUOMWAN et al., 1996) .....................22
FIGURA 2.4 – Modelo de Marples (EVBUOMWAN et al., 1996) .................23
FIGURA 2.5 – Modelo de Archer (EVBUOMWAN et al., 1996) ....................24
FIGURA 2.6 - Modelo de Krick .....................................................................25
FIGURA 2.7 – Modelo de Nigel Cross ..........................................................26
FIGURA 2.8 – Modelo de French (EVBUOMWAN et al., 1996) ...................28
FIGURA 2.9 – Modelo VDI 2221 (MARIBONDO et al., 1998) ......................30
FIGURA 2.10 – Modelo de Krick ..................................................................34
FIGURA 2.11 – Passos da avaliação das variantes .....................................40
FIGURA 2.12 - Estrutura funcional de um posicionador ..............................47
FIGURA 2.13 – Curvas características de atrito em guias (LICHTBLAU,
1989) .......................................................................................50
FIGURA 2.14 – (a) Esquema construtivo de um PZT (PHYSIK
INSTRUMENTE, 1992); (b) Tipo de PZT comercial ................62
FIGURA 2.15 – Princípio operacional de um laser interferométrico
(TAVARES, 1995) ...................................................................67
FIGURA 2.16 – Interferômetro de Michelson ...............................................68
FIGURA 2.17 – Interferômetro de Fizeau .....................................................69
FIGURA 3.1 - Tipos construtivos de posicionadores angulares - (a) cunha de
encosto angular, (b) cunha de apoio semi-esférico, (c)
transmissão por came, (d) posicionador micrométrico
diferencial, (e) transmissões rotativas, (f) plataforma de Stewart
..................................................................................................73
FIGURA 4.1 – Sistema de coordenadas cartesianas ...................................80