O básico sobre solenoides, servomotores e ligas com memória de forma (MEC348)

Este artigo foi originalmente publicado em meu livro Robótica, Mecatrônica e Inteligência Artificial - Robotics, Mechatronics and Artificial Intelligent (esgotado) nos Estados Unidos (*). Nele descrevemos os aspectos básicos do uso de solenoides, servomotores e SMAs em projetos de mecatrônica e robótica. Vários circuitos seguem essa sequência com aplicações específicas.

MEC141E MEC220S

(*) Uma nova edição em português, em espanhol e em inglês está sendo preparada com a finalidade de atender as modificações impostas no ensino de tecnologia no nível médio pelo BNCC (Base Comum Curricular) de 2018 e pelo STEM do programa americano semelhante aprovado em 2015 e analisado desde 2009.

   O objetivo deste artigo é apresentar ao leitor o uso de ligas com memória de forma (SMAs), solenoides e servomotores (geralmente chamados de servos) em projetos de mecatrônica e robótica. A ideia básica é mostrar como esses dispositivos podem ser usados como soluções alternativas para a geração de força e movimento. O leitor também verá quantos blocos mostrados nos artigos anteriores podem ser usados para conduzir esses dispositivos e como projetar seus circuitos para fins práticos.

 

Teoria

   Fontes mecânicas de energia em projetos de robótica prática e mecatrônica não estão limitadas a motores dc e ac. Em muitos casos, o movimento desejado ou força mecânica pode ser vantajosamente proporcionado por outras categorias de dispositivos. Neste artigo, estudaremos três desses dispositivos em particular: SMAs, solenoides e servomotores. O uso de qualquer um desses dispositivos depende de muitos fatores que devem ser considerados para cada projeto. Sabendo como funcionam e o que podem fazer, o leitor será capaz de fazer a escolha correta e projetar os elementos do circuito de acionamento.

 

Ligas de Memória de Forma (SMA)

   As ligas com memória de forma (shape memory alloy) são materiais que têm a capacidade de retornar a uma forma predeterminada quando aquecidas. Quando um SMA está frio (isto é, abaixo de uma temperatura chamada temperatura de transformação), apresenta uma baixa resistência à deformação e pode ser facilmente deformado para uma nova forma que é retida pelo material. No entanto, se o material for aquecido acima da temperatura de transformação, sofre uma alteração na estrutura atômica que faz com que ele retorne à sua forma original. Se o SMA encontrar alguma resistência durante essa transformação, poderá gerar grandes forças. Em robótica e mecatrônica, um fio SMA pode ser usado como um músculo eletrônico, como mostrado na Figura 1.

 

Figura 1 - Usando um músculo eletrônico.
Figura 1 - Usando um músculo eletrônico.

 

   Quando aquecido por uma corrente, o comprimento da SMA muda e a força produzida nesse processo pode ser usada para mover um braço, perna, alavanca ou outra parte móvel de um mecanismo. O material mais comum da SMA é uma liga de níquel-titânio chamada nitinol ou flexinol. Este material tem boas propriedades elétricas e mecânicas, longa vida útil à fadiga e alta resistência à corrosão.

   Um fio de nitinol com 0,02 polegadas de diâmetro pode elevar até 16 lb (8 kg). Um fio flexinol de apenas 100 microns de diâmetro pode ser deformado em 28 g de peso e produzir 150 g de força de recuperação quando exposto a uma corrente de 180 mA.

   O típico SMA à temperatura ambiente é facilmente deformado por uma pequena força. No entanto, ao conduzir uma corrente elétrica, ela muda para uma forma muito mais dura que retorna à forma original. Um fio SMA esticado, à medida que encurta, produz uma quantidade utilizável de força. Um fio SMA pode ser esticado em até 8% do seu comprimento original.

   Naturalmente, os SMAs não são recomendados para todos as aplicações. É preciso levar em conta as forças, deslocamentos e outras condições necessárias para uma aplicação específica. O uso mais importante de SMAs é em pequenos atuadores, onde dispositivos mecânicos como motores e solenoides não são fáceis de implementar.

   Um dos revendedores da nitinol SMA é a TiNi Alloy Company (http://www.tini.com), que vende alguns tipos de fio de Nitinol e pode fornecer informações sobre seu uso. [

 

Propriedades do Nitinol SMA

  • Temperatura de fusão: 1240 –1310 °C
  • Resistividade (estado de alta temperatura): 82 ohms-cm
  • Resistividade (estado de baixa temperatura): 76 ohms-cm
  • Condutividade térmica: 0,1 W / cm- °C
  • Resistência à tração final: 750–950 Mpa ou 110–140 Ksi
  • Elongação típica para fratura: 15,5%
  • Eficiência de conversão de energia: 5%
  • Força de saída: 1 Joule / grama
  • Temperaturas de transformação disponíveis: –100 a + 100 °C
  • Proporção Aproximada de Poisson: 0,3

 

Como usar SMAs

   O uso de fios SMA em robótica e mecatrônica é simples: o fio é usado para mover mecanismos (braços, garras, alavancas, etc.) ou empregados em pistões elétricos.

   Os pistões elétricos, como mostrado na Figura 2, podem ser usados como solenoides, mas atuam pela contração e distensão dos SMAs, e não pela força dos campos magnéticos. A aplicação básica é mostrada na Figura 3.

 

Figura 2 - Um pistão elétrico.
Figura 2 - Um pistão elétrico.

 

 

Figura 3 - Aplicação Básica
Figura 3 - Aplicação Básica

 

   O comprimento do fio multiplicado pela resistência por metro dá a resistência total do músculo. Aplicando a lei de Ohm, podemos determinar a tensão que deve ser usada para fornecer a quantidade de corrente requerida pelo tipo específico. Da maneira inversa, podemos determinar o comprimento da tensão e da corrente.

   Por exemplo, se queremos alimentar um músculo usando um Flexinol 250 SMA de uma fonte de alimentação de 12 V, qual é o comprimento a ser usado?

V = 12 V

I = 1 A (das especificações)

R = 12/1 = 12 ohms

 

  O comprimento, portanto, é

L = 12/20 = 0,6 m

 

 O solenoide

   Se você quiser criar um pequeno deslocamento de uma peça mecânica em movimento, considere o uso de um solenoide. Um solenoide é formado por uma bobina na qual um núcleo magnético móvel pode deslizar como mostrado na Figura 4.

 

Figura 4 - O solenoide.
Figura 4 - O solenoide.

 

   

Quando uma corrente passa através da bobina, o campo magnético produz uma força que atrai o núcleo em movimento. Se esse núcleo móvel estiver acoplado a qualquer mecanismo, a força criada por esse processo pode ser usada para movê-lo.

   Uma vez que a força que atrai o núcleo está presente apenas enquanto a corrente passa através da bobina, e nenhuma força é produzida quando a corrente está desligada, uma mola ou outro mecanismo deve ser adicionado para retornar o núcleo à sua posição original. A Figura 5 mostra algumas aplicações de solenoides em mecanismos simples.

 

Figura 5 - Usando solenoides.
Figura 5 - Usando solenoides.

 

   Na Figura 5a, mostramos um braço simples usando um solenoide. Em 5b, mostramos um sistema de direção para um robô usando um solenoide. Em 5c, ilustramos um sistema que abre uma porta quando um solenoide é ligado.

 

Usando um solenoide.

   Solenoides simples podem ser enrolados pelos projetistas ou comprados prontos para serem usados por alguns revendedores. A quantidade de força que um solenoide pode fornecer a um mecanismo depende de dois fatores: a corrente através da bobina e o número de voltas na bobina. Visite o site da Mouser para obter informações.

   A corrente é determinada pela resistência ôhmica e pela tensão aplicada ao dispositivo. Isso significa que as especificações principais de um solenoide incluem a tensão e a corrente e, às vezes, a força eletromotriz. Em alguns casos, em vez da corrente, a resistência ôhmica é dada. Neste caso, basta dividir a tensão pela resistência ôhmica para encontrar a corrente nominal.

   Os solenoides parecem com os relés de algumas maneiras: se desejar, você pode aplicar uma tensão maior que a tensão nominal por alguns segundos para obter pulsos curtos de maior potência. Você também pode aplicar tensões mais baixas se quiser menos energia.

   Os tipos mais comuns de solenoides são projetados para serem acionados a partir de fontes CC na faixa de 10 A até 2 ou 3 A, com voltagens na faixa de 1 a 48 V. Mas alguns solenoides são projetados para serem acionados a partir da energia CA linha.

 

O servomotor

   Motores comuns de corrente alternada e corrente alternada são projetos de circuito aberto. Retirando corrente de uma fonte de alimentação, eles executam sua ação movendo um eixo ou uma caixa de engrenagens. Servomotores, em contraste, são dispositivos de circuito fechado. Quando fornecido com um sinal de controle, ele ajusta sua ação para corresponder ao sinal. Se o sinal mudar, o servomotor compensa. Os servomotores são motores de engrenagem CC que incluem um controle de posição de malha fechada. O eixo do motor pode ser posicionado ou girado em 180 °, como mostrado na Figura 6.

 

Figura 6 - Um servomotor.
Figura 6 - Um servomotor.

 

   Servos são usados em rádio controle (R / C) para controlar modelos de aviões, carros, barcos e robôs. O leitor pode encontrar servos em vários tamanhos de acordo com a potência necessária e as tarefas para as quais eles são destinados. Os servos comerciais podem ser usados com muitos dos nossos artigos em aplicações robóticas.

   O servo padrão tem três fios: dois para alimentação (4 a 6 V) e terra, e o terceiro para controle. Em tipos comuns, o sinal é um pulso de largura variável. A posição neutra corresponde a um pulso de cerca de 1,5 ms, enviado em intervalos de 20 ms (50 vezes por segundo). O intervalo de controlo (–90 a +90°) corresponde ao intervalo de impulsos de 1 a 2 ms.

   Se desejar, você pode construir seu próprio servo. A Figura 7 mostra um projeto simples. Este servo é controlado por tensão em vez de pulsos (mas podemos adaptá-lo para operar com pulsos). O esquema do circuito é mostrado na Figura 8.

 

Figura 7 Um servo caseiro.
Figura 7 Um servo caseiro.

 

 

Figura 8 Circuito para o servo feito em casa.
Figura 8 - Circuito para o servo feito em casa.

 

   

Na Figura 7, uma caixa de engrenagens é adaptada para usar um parafuso sem fim que move uma porca. A porca é acoplada a um potenciômetro deslizante que fornece retorno elétrico ao circuito. Quando você aplica uma tensão à entrada do circuito (sinal), o motor se move até que o potenciômetro atinja uma posição na qual a tensão de feedback é igual à tensão de entrada (saída zero). Se você alterar a tensão na entrada, o motor será energizado até que o potenciômetro atinja uma nova posição onde a saída é novamente zerada.

 

 


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