Ferramentas Computacionais de Auxilio ao Projeto

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1 CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS CAMPUS V DIVINOPOLIS Ferramentas Computacionais de Auxilio ao Projeto Componentes: Grupo 10: Augusto Henrique Pighini Silva Carla de Souza Vinicius Willian Carlos Souza Martinho Engenharia Mecatrônica Disciplina: Cont. social e profissional da Eng. Mecatrônica 1º Período Prof: Renato de Sousa Dâmaso Divinópolis 3 de junho de 2011

2 Resumo O mercado atual tem se mostrado dia a dia mais competitivo e exigente no que se refere à qualidade e agilidade ao se elaborar um produto. A mecânica, cada vez mais depende da computação, e o velho conceito de manufatura vem sendo substituído por uma estrutura totalmente voltada para a maquinofatura. Neste contexto, homens e robôs atuam lado a lado em prol de atender as demandas e as exigências feitas pelas indústrias e devido a tal fato, cada vez mais torna-se necessário que os meios de interação usados por aqueles para o controle destes sejam mais sofisticados e mais simples de utilizar, inovando assim o mercado e eliminando a concorrência. Assim, surgem a cada dia ferramentas e softwares mais modernos que possibilitem a pratica de tais fins. Este trabalho tem como objetivo conceituar, demonstrar e explicar os principais programas de uso da engenharia, principalmente mecatrônica que auxiliam no projeto e no desenvolvimento de sistemas de modo a modernizar e atuar no mercado industrial. Estas ferramentas são utilizadas no desenvolvimento de projetos, no controle, na simulação e na analise de dados a partir da necessidade de um consumidor e do mercado. Dentre varias opções de softwares deste gênero, escolhemos alguns dos quais consideramos os mais importantes e interessantes na abordagem deste assunto. Estes são: MatLab, SolidWorks, LabView, Ansys e AutCad. A importância de tais é notável na atualidade, uma vez que a vasta disponibilidade de recursos e ferramentas computacionais destes softwares auxiliam projetistas e engenheiros a realizarem seus projetos de maneira mais pratica e eficaz, alem de servirem como simuladores garantindo assim uma maior segurança na hora de construir o que foi projetado, evitando erros. A historia do surgimento, as aplicações, os modos de uso, as generalidades e mesmo as curiosidades destas ferramentas computacionais de auxílio ao projeto e ao desenvolvimento de sistemas mecatrônicos, serão apresentados neste trabalho visando o aprendizado daqueles que o lerem no que se refere ao conhecimento de tais recursos. 1

3 Sumário 1. Introdução MATLAB Histórico Ambiente de trabalho Simulink Matlab em Sistemas Mecatrônicos: Funções Funções de Transformação Genéricas Interface de Programação e Controle no ambiente Matlab Experiências de Geração de Trajetórias Experiências de Cinemática Experiências de Coleta e Alocação Algumas outras abordagens feitas pelo Matlab Indústrias Automobilísticas Robô Móvel: Reconstrução da superfície do fêmur Matlab nas Ciências Biológicas Vantagens e desvantagem da ferramenta Matlab Sistemas CAD/CAE/CAM Introdução CAD CAID CAE CAM CIM Metodologia de desenvolvimento de produto A influência dos sistemas CAD, CAE e CAM, na competitividade Exemplos de ferramentas CAD SolidWorks AutoCAD Conclusão Labview Histórico

4 4.2. Ambiente de trabalho Funcionamento Aquisição de Dados com o LabView Aplicações na Engenharia Ansys Breve histórico Ambiente de trabalho Funcionamento Considerações finais Conclusão Referência Bibliográfica

5 Índice de Imagens Figura 1 - Robô Rhino XR4, fabricante do PICServo Figura 2 - Simulação Gráfica do Robô Rhino XR4 através Matlab Figura 3 - Interface de Programação para Controle... 8 Figura 4 - Tela para criação de trajetórias Figura 5 - Experiência de Cinemática Inversa tela Figura 6 - Experiência de Coleta e Alocação tela Figura 7: Vemos a simulação para obstáculos Figura 8: Temos a simulação para obstáculos desconhecidos Figura 9: Robô móvel Rasteirinho Figura Figura Figura Figura 13: Painel Frontal e Diagrama de Blocos Figura 14: Block Diagram e no Front Panel Figura 15: Estrutura FOR no LabView Figura 16: USB Figura Figura Figura Figura

6 1. Introdução Na atualidade, a modernização e o avanço tecnológico são cada vez mais frequentes, interferindo na vida humana, fazendo que seus aspectos sejam repensados. Deste modo, a preocupação com o desenvolvimento alinhado a segurança e a sustentabilidade são exigências frequentes da sociedade e mesmo das indústrias. A busca por processos mais seguros, que envolvam menores gastos, tempo, bem como possibilitem a fabricação de produtos de melhor qualidade são cada vez mais requisitados. As engenharias de um modo geral têm como principal finalidade estudar os sistemas produtivos e tecnológicos visando o crescimento sustentável e principalmente buscando a resolução das exigências feitas pelo mercado industrial. A mecatrônica sem duvidas é uma das engenharias de maior destaque na busca de tais reivindicações, uma vez que ela é definida como a integração de conhecimentos nas áreas da mecânica, eletrônica e computação e por isso apresenta uma gama muito maior de possibilidades e recursos que atuariam auxiliando em tais propósitos. Tais recursos atuariam nas mais diversas áreas industriais e dos mais diversos modos. Exemplos destas ferramentas que podem ser citadas são o MatLab, o SolidWorks, o LabView, o Ansys, o AutoCAD, o Simulink, entre outros. Neste trabalho, citaremos algumas destas ferramentas. O MatLab possui um conjunto muito vasto de funções que permitem resolver problemas complexos de forma eficiente. Sua interface gráfica auxilia na visualização de funções de processamento gráfico e auxiliam ao projeto e ao desenvolvimento de sistemas mecatrônicos. O Matlab possui um ambiente de trabalho que permite a gestão e visualização das variáveis, ler e gravar variáveis em disco e gerar programas em linguagem Matlab, possibilitando assim a automatização de cálculos complexos. Além de disponibiliza um conjunto de pacotes de funções para as mais variadas áreas de cálculo científico. O SolidWorks é uma ferramenta de software 3D que permite criar, simular e gerenciar dados. Assim, possibilita a transformação de ideias em produtos, através de uma interface intuitiva e com robustos recursos. O LabView é um software de análise, aquisição e processamento em tempo real, juntando num só "pacote" várias funções que auxiliam na monitorização e controle de grandes unidades de produção permitindo a distância monitorar todo o processo de fabril. O Ansys é um software de análises pelo método de elementos finitos. Estas são utilizadas na mecânica dos fluídos, transferência de calor, eletromagnetismo, etc. Ele permite a identificação visual da geometria e resultados facilitando a interpretação do que está ocorrendo na peça, possibilitando a otimização coerente antes da sua fabricação. 5

7 2. MATLAB 2.1. Histórico O Matlab é um software destinado a fazer cálculos com matrizes (Matlab = MATrix LABoratory). MATLAB foi criada no fim dos anos 1970 por Cleve Moler, então presidente do departamento de ciências da computação da Universidade do Novo México. Ela logo se espalhou para outras universidades e encontrou um forte uso no âmbito da comunidade matemática aplicada. Jack Little, um engenheiro, conheceu a linguagem MATLAB, durante uma visita feita por Moler a Universidade de Stanford em Reconhecendo o seu potencial comercial, ele juntou-se a Moler e Steve Bangert. Eles reescreveram MATLAB em C, em 1984 fundaram a MathWorks e prosseguiram no seu desenvolvimento. As bibliotecas reescritas ficaram conhecidas como LAPACK. O MATLAB foi adotado pela primeira vez por engenheiros de projeto de controle, a especialidade de Little, e rapidamente se espalhou para outros campos de aplicação. Agora, é também utilizado nas áreas da educação, em especial o ensino da álgebra linear e análise numérica, e é muito popular entre os cientistas envolvidos com o processamento de imagem Ambiente de trabalho Quando o MATLAB é inicializado, duas janelas são exibidas: a Janela de Comando (Command Windows) e Janela Gráfica (Graphic Windows). A Janela de Comando é ativada quando se inicia o MATLAB, e o "prompt" padrão (>>) é exibido na tela. A partir deste ponto, o MATLAB espera as instruções do utilizador Simulink O Simulink é usado em conjunto com o MATLAB para especificar sistemas através da conexão de blocos na tela em vez de escrever uma serie de comandos para gerar a descrição do diagrama de blocos. Uma vez iniciado o MATLAB, o Simulink é executado através de seu comendo.o Simulink é uma ferramenta para modelar, simular e analisar sistemas dinâmicos. Sua interface primária é uma ferramenta de diagramação gráfica por blocos e bibliotecas customizáveis de blocos. Alem de ser amplamente usado em teoria de controle e processamento digital de sinais para projeto e simulação multi-domínios. Junto com Real-Time Workshop, outro produto da MathWorks, o Simulink pode também gerar código C automaticamente para implementação de sistemas em tempo real. Com o aumento 6

8 da eficiência e da flexibilidade desta ferramenta, ela é cada vez mais adotada em sistemas de produção e no projeto de sistemas embarcados pela sua flexibilidade e capacidade de rápida iteração. O código criado pelo Real-Time Workshop é eficiente o bastante para ser empregado em sistemas embarcados Matlab em Sistemas Mecatrônicos: O Matlab com sua ampla biblioteca auxilia de forma abrangente o projeto e o desenvolvimento de sistemas mecatrônicos. Utilizando o robô Rhino XR4, um robô de mesa com cinco eixos de coordenadas articuladas, acionamento elétrico e controle independente de juntas, conforme a Figura 1, desenvolvido através do MatLab, podemos ilustrar melhor como o Matlab pode auxiliar com suas ferramentas no desenvolvimento de sistemas mecatrônicos. Figura 1 - Robô Rhino XR4, fabricante do PICServo. Dentro do ambiente Matlab foram escritas funções para: realizar operações com transformações homogêneas; resolver o problema cinemático; e simular o robô com animação gráfica. Estas funções foram integradas na forma de uma toolbox do Matlab e foi chamada de Rhinobox. As funções são descritas e agrupadas em funções genéricas, específicas e de simulação Funções Funções de Transformação Genéricas Estas funções implementam operações com as matrizes de transformação fundamentais (3 3) e homogêneas (4 4) que descrevem o movimento de manipuladores robóticos. 7

9 Funções para Simulação Gráfica do Robô Rhino XR4: Estas funções são utilizadas na simulação gráfica do modelo cinemático do robô A Figura 2 mostra a tela de simulação gráfica. Figura 2 - Simulação Gráfica do Robô Rhino XR4 através Matlab Interface de Programação e Controle no ambiente Matlab A interface de programação é necessária para acessar as funções internas dos módulos de controle dos motores de junta. Inicialmente desenvolveu se a interface PICControl no ambiente Windows. Posteriormente, para aproveitar os recursos computacionais do Matlab, desenvolveu-se a interface RhinoLab neste ambiente. A estrutura simplificada da interface de programação para controle é mostrada na Figura 3, abaixo: Figura 3 - Interface de Programação para Controle Experiências de Geração de Trajetórias A Figura 4 mostra a interface gráfica para geração de trajetórias, a tela foi inspirada nos comandos portáteis (teach pendant) dos robôs industriais. O robô pode ser 8

10 movimentado no espaço a partir dos botões da interface. A trajetória seguida pode ser capturada para posterior reprodução pelo robô ou pelo seu modelo simulado. Figura 4 - Tela para criação de trajetórias Experiências de Cinemática Foram implementadas experiências de cinemática relacionando o vetor de variáveis de junta q5 1 e aversão reduzida do vetor de configuração da ferramentaw05 1. Foram implementadas a cinemática direta e a inversa. A Figura 5 mostra a tela da experiência de cinemática inversa Experiências de Coleta e Alocação Trata-se de um movimento ponto a ponto e é uma das tarefas mais fundamentais de um manipulador robótico sendo utilizada no carregamento e descarregamento automático de peças ou na coleta e alocação de peças em uma célula de manufatura. Na experiência implementada a trajetória consiste de quatro pontos: ponto de coleta (Wco); ponto de levantamento (Wle); ponto de assentamento (Was) e ponto de alocação (Wal). 9

11 Figura 5 - Experiência de Cinemática Inversa tela A trajetória entre os pontos Wco e Wle e entre os pontos de Was e Wal deve ser realizada em baixa velocidade, já a trajetória entre os pontos Wle e Was pode ser realizado a maior velocidade e eventualmente evitar obstáculos. A origem e destino dos objetos devem estar dentro do espaço de trabalho do robô e podem ter qualquer orientação, sendo a posição e orientação representadas pelo vetor de configuração da ferramenta w0 reduzido. O programa requer o vetor de coleta e o vetor de alocação, verifica então a validade de ambos e calcula os pontos internos da operação, e logo executa a operação e retorna a trajetória efetuada. Como opção, na falta do robô, pode-se comandar uma simulação com o modelo animado. A Figura 6 mostra a tela da experiência de coleta e alocação. Figura 6 - Experiência de Coleta e Alocação tela Foi desenvolvida uma interface de programação e controle que permite comandar o robô Rhino XR4 dentro do ambiente Matlab. Tem-se então uma estação robótica educacional em funcionamento pleno. Com essa plataforma de trabalho pode-se desenvolver experiências de laboratório em robótica, inicialmente experiências de geração de trajetórias, cinemática direta e inversa e de coleta e alocação de objetos. As experiências 10

12 podem ser realizadas com um modelo simulado do robô. Atualmente implementa se um sistema de visão artificial para guiar robô em operações de manipulação. Através desta exemplificação a cerca do robô Rhino XR4, quanto a ferramenta Matlab, pode se observar o quanto esta ferramenta é útil na elaboração de sistemas mecatrônicos, tanto parte computacional quanto mecânico-visual Algumas outras abordagens feitas pelo Matlab Alem do robô Rhino XR4, o MATLAB abrange uma para gama de funcionalidades.a MathWorks empresa que desenvolve MATLAB,através de toolbox,cria funções para as mais variadas áreas do conhecimento cientifico e didático,atualizando assim o aplicativo anualmente Indústrias Automobilísticas Os testes de campo na indústria automotiva são caros e demandam muito tempo. Por tanto as indústrias dessa área cada vez mais estão usando simuladores, pois com esse tipo de tecnologia é possível simular condições próximas das reais em um pequeno espaço de tempo e com um custo muito menor que os dos testes de campo. A simulação virtual é um campo muito amplo podendo envolver desde simulações de pequenos componentes até simulação de colisões de veículos inteiros. Através do MATLAB é possível a criação de um programa que simule um veículo rodando em determinadas condições, permitindo uma fácil interação com o usuário. Para tanto o programa apresenta uma interface gráfica que se assemelha ao painel de um cockpit,como na figura 7,contendo informações como velocidade do veículo, rotação do motor, número da marcha, posição do veículo no traçado, a aceleração imposta pelo usuário entre outras possibilidades. Nesse programa é possível entrar com as características de um determinado tipo de veículo e o perfil de pista. Já os controles da aceleração e das trocas de marchas poderão ser feitos automaticamente, através de algumas estratégias predeterminadas no próprio algoritmo, ou por comando do operador na interface gráfica. Esse programa pode servir para testes ou desenvolvimento de componentes do powertrain, dentre outros Robô Móvel: O Robô móvel Rasteirinho tem seu algoritmo desenvolvido baseado na teoria de Escoamento Potencial, da mecânica dos fluidos. Os obstáculos são modelados como fontes 11

13 (repelindo o robô) e vórtices (desviando o robô). O objetivo do robô é modelado como um sorvedouro (atraindo o robô). Através do princípio da superposição o movimento do robô é calculado a cada ponto, sendo então gerada a trajetória. A seguir podem ser vistas simulações realizadas através do MatLab. Figura 7: Vemos a simulação para obstáculos conhecidos (através de sensores de longa distância). Os obstáculos foram gerados aleatoriamente pelo MatLab. Figura 8: Temos a simulação para obstáculos desconhecidos, ou seja, reconhecido pelo sistema apenas no momento da colisão (sensores de toque). O obstáculo real é o retângulo, enquanto os pequenos círculos em sua superfície são os obstáculos virtuais gerados pelo algoritmo. Figura 9: Robô móvel Rasteirinho 12

14 Reconstrução da superfície do fêmur Através dos recursos 3d e 2d visuais, que possui o Matlab, foram possíveis a digitalização e obtenção de imagens de maneira a identificar os pontos de referencias nos segmentos fêmur e tíbia. Desenvolveu-se uma rotina em Matlab dedicado a fim de definir a trajetória do centro de rotação articular, nos sistemas de referência de interesse. Para a análise do centro de rotação em relação ao fêmur, foram utilizados dois pontos digitalizados no fêmur para a obtenção do sistema de referência local.para obter a coordenada y, foi definida uma reta entre o ponto mais superior e o mais inferior do côndilo femoral (B-B1), no plano sagital. Para obter a coordenada x, uma perpendicular passando pelo ponto médio de B-B1 do côndilo foi traçada. A intersecção entre estas coordenadas foi considerada o ponto de origem do sistema de referência no fêmur. Dessa forma, foi possível analisar o comportamento do centro de rotação variando em relação ao fêmur, em cada instante de tempo (Figura ao lado). Figura esquerda: Modelo esquemático das coordenadas x e y do sistema de referência local na tíbia. Figura Direita: Modelo esquemático das coordenadas x e y do sistema de referência local no fêmur. Através do Matlab foram possíveis obter os resultados variação distal-proximal do centro de rotação tibiofemoral no sistema de referência local tíbia, Figura 10, variação postero-anterior do centro de rotação tibiofemoral no sistema de coordenadas local tíbia, figura 11, e centro de rotação tibiofemoral no sistema de coordenadas local fêmur e figura 12. Figura 10 Figura 11 Figura 12 13

15 Matlab nas Ciências Biológicas Programou um algoritmo no Matlab (versão 2.0) em uma SUN Sparc Station 10. No estudo explorou se diferentes combinações de características extraídas de cromossomos bem como diferentes topologias e parâmetros para a rede. Os resultados obtidos, comparados com estudos anteriores, comprovaram que esta classe de RNA fornece um caminho alternativo com uma taxa de erro de classificação menor. Além disto, é vantajosa quanto ao tempo computacional, uma vez que a RBF tem um tempo de treinamento bastante menor quando comparado com outros tipos de RNA Vantagens e desvantagem da ferramenta Matlab O Matlab é uma combinação perfeita de muitas das linguagens mais utilizadas, tais como C, Java e Basic. Esta linguagem segue então de uma maneira muito fiel a maior parte dos aspectos das linguagens que estiveram na sua origem. Esta é então uma das grandes vantagens do Matlab: um programador de C não terá grandes dificuldades em se adaptar a esta linguagem, visto que os códigos-fonte são muito parecidos; um programador de Java não terá grande dificuldade em se adaptar à construção de objectos GUI em Matlab (no entanto, o Matlab tem também uma boa componente de interface não gráfica). Algumas outras vantagens : Não precisar repetir os comandos um a um quando algo der errado no meio do processo. Usar com facilidade comandos de loop e condicionais. Aspecto visual melhor. Porem os aplicativos criados só rodam no ambiente MATLAB. Logo, para executar programas em linguagem MATLAB é necessária uma licença por usuário (máquina) na qual é paga e cara. Outras desvantagens: Lentidão Exigi muita memória. É uma linguagem interpretada, logo a execução é mais lenta que as linguagens compiladas (Este problema poderá ser reduzido usando o compilador do MATLAB para gerar um executável). 14

16 3. Sistemas CAD/CAE/CAM 3.1. Introdução Os sistemas CAD - (Computer Aided Design), CAE (Computer Aided Engineer) e CAM (Computer Aided Manufacturing), que em português corresponde a Projeto Auxiliado por Computador, Engenharia Auxiliada por Computador e Manufatura Auxiliada por Computador, respectivamente, são ferramentas que desempenham um papel fundamental para a viabilização de um projeto de produto em tempos reduzidos, oferecendo oportunidade para simular e reduzir custos na fase de desenvolvimento do produto CAD Os sistemas CAD - Computer-Aided Design (Projeto Auxiliado por Computador) auxiliam a criação, modificação, análise ou otimização de um projeto. O software desses sistemas é baseado em interface gráfica orientada ao usuário. Podem ser desenvolvidos projetos mecânicos, elétricos, eletrônicos, mecatrônicos, dentre outros. A dimensionalidade se refere ao tipo de geometria processada e armazenada num sistema CAD. Com relação a esta característica os sistemas CAD podem ter as seguintes representações: Sistemas de duas dimensões (2D), equivalente ao desenho em papel. Cada ponto é representado por doi números (p. ex. a distância horizontal em relação à borda esquerda do papel e a distância vertical da borda inferior do papel). Há representação também para segmentos, círculos, arcos e outras curvas planares. Os primeiros sistemas CAD baseavam-se em representação 2D. Ainda hoje, apesar do desenvolvimento de sistemas 3D, a representação em 2D é a melhor para realizar as atividades de documentação e detalhamento final de um projeto. Há limitações, sobretudo na visualização dos objetos. Sistemas de três dimensões (3D), wireframe, que utilizam segmentos de reta, círculos, arcos e outras curvas em três dimensões e que trabalham com múltiplas visões (de qualquer direção arbitrária) e perspectiva. A representação de um paralelepípedo, por exemplo, é feita através de suas 12 bordas. Sistemas de três dimensões (3D), superfícies, onde cada sólido é representado por seus limites, que consistem de superfícies planares, 15

17 cilíndricas, cônicas, esféricas. É a representação mais utilizada no projeto de automóveis (sobretudo parte externa e painel). Sistemas de três dimensões (3D), sólidos, que trabalha de forma similar com a utilização de blocos para construir um sistema sólido real. Possuem um conjunto de objetos primitivos e podem mover (translação, rotação) estes objetos, além de combiná-los usando um conjunto de operações básicas (união, intersecção, diferença). Estes sistemas permitem a melhor visualização. Uma tendência dos sistemas CAD modernos é a inclusão de características de topologia, além das de geometria. Entende-se por geometria a posição, orientação, e o tamanho de cada elemento geométrico no projeto de um objeto. Topologia é a conectividade entre esses elementos geométricos. Os sistemas orientados apenas a geometria (sistemas CAD clássicos) armazenam penas a geometria final. Os sistemas paramétricos trabalham com topologia, armazenando os comandos usados pelo usuário para definir a geometria. Por exemplo: quando um usuário especifica que um arco pode ser criado com um dado raio, tangente ao final de um segmento previamente definido e com um dado ângulo incluso pode ser armazenada a sequência de operações executada para construção da geometria. Se o segmento for modificado o sistema paramétrico pode recuperar a construção do arco (apesar de ter sido alterada a geometria, que fará com que o ângulo interno seja diferente). Os sistemas variacionais são ainda mais avançados, pois armazenam a topologia tanto quanto a geometria. Por exemplo, um usuário entra com um arco, especifica que possui um dado raio, tangente ao final de um segmento previamente definido, e com um dado ângulo. O sistema variacional guarda não somente a localização dos pontos e do arco, mas também as regras para o arco. Se, mais tarde, o usuário decide trocar a regra do ângulo interno por uma regra de tangência com outro segmento, ele deve apenas selecionar a regra do ângulo incluso e trocá-la por uma regra de tangência apropriada. O sistema recupera as outras regras sobre o arco e automaticamente recalcula a geometria CAID Uma especialidade de sistemas CAD tem se desenvolvido nos últimos anos, para suportar as características especiais das atividades de concepção inicial de modelos, antes do projeto propriamente dito: os sistemas CAID - Computer-Aided Industrial Design (Desenho Industrial Auxiliado por Computador). Os recursos gráficos são, também aqui, 16

18 muito utilizados, contando ainda com a inclusão de recursos sofisticados de tratamento de cores e sombras, para estudos da aparência do futuro produto CAE As atividades de análise de engenharia são auxilidas pelos sistemas CAE - Computer-Aided Engineering (Engenharia Auxiliada por Computador). Tendo-se desenvolvido um projeto em CAD (mesmo que sem o detalhamento final), é possível realizar vários estudos baseados na geometria estabelecida, acrescida com informações adicionais relevantes para a análise a ser realizada (p. ex. tipo e densidade do material, capacidade térmica etc.). A análise pode envolver: Cálculos de esforços. Cálculos de transferência de calor. Uso de equações diferenciais para descrever o comportamento dinâmico do sistema sendo projetado. Simulação de mecanismo. Prototipação rápida através da estereolitografia, técnica recente que permite gerar um modelo físico real CAM CAM - Computer-Aided Manufacturing (Fabricação Auxiliada por Computador) pode ser definido como o uso de sistemas computacionais para planejar, gerenciar, e controlar as operações de uma planta de fabricação através de uma interface direta ou indireta com os recursos de produção da planta. Há duas categorias de aplicações: Monitoramento e controle do processo de fabricação: aplicações diretas em que o computador é conectado diretamente ao processo. Suporte à fabricação: aplicações indiretas em que o computador é usado para suporte às operações de produção da planta, sem que haja uma interface direta entre o computador e o processo. Exemplos: Preparação de programas de controle numérico (através de pósprocessadores que geram código para máquinas CNC a partir da base de dados do projeto em CAD). Projeto de ferramentas. 17

19 Projeto de moldes. Planejamento do processo automatizado por computador. Padrões de trabalho gerados por computador (ex. tempos padrões). Programação da produção. MRP (Material Requirement Planning) CIM A integração dos diversos processos de uma organização é uma necessidade. O conceito de CIM - Computer-Integrated Manufacturing (Fabricação Integrada por Computador) está voltado exatamente para a disponibilização da informação necessária em toda a empresa. Quanto maior a integração de informações e atividades, maior a capacidade da empresa de melhorar seu espaço competitivo. As principais vantagens buscadas são: Produtos de alta qualidade. Projetos de novos e melhores produtos. Prazos de entrega mais curtos. Maior produtividade e menores custos. Capacidade de antecipação e reação rápida a mudanças. Administração eficaz de recursos Metodologia de desenvolvimento de produto A sequência convencional de desenvolvimento de produtos em CAD/CAE/CAM inicia-se com a modelagem geométrica do produto utilizando um sistema de CAD. Esta modelagem pode ser representada por arames, ou no jargão da área, wireframe, superfícies e/ou sólidos, em função do software existente e da aplicação que se pretende dar ao modelo geométrico. É de notar, no entanto, que nos últimos anos tem existido um grande desenvolvimento dos softwares baseados em sólidos paramétricos (ou variacionais), com modelagem por características (feature-based), e com capacidades associativas entre os diversos módulos ou entre diferentes aplicações. A informação gerada por este sistema (modelo conceptual) pode posteriormente ser exportada em formato standard (IGES, STL, VDA, STEP, etc.) e importada no mesmo formato para o sistema CAE (permitindo simular numericamente o modelo) e/ou para um sistema CAM (permitindo 18

20 gerar as trajetórias de usinagem). No entanto, este intercâmbio, nem sempre é bem sucedido devido à eventual perda de informação. Num sistema que contenha a associatividade de dados (base de dados única) a informação do projeto poderá ser partilhada entre as diversas aplicações tais como o projeto, desenho (projeções ortogonais), CAE e CAM sem que cada aplicação tenha de traduzir ou transferir dados. Nos sistemas CAD atuais podem existir dois tipos de associatividade, a manual e a automática. Com a associatividade manual, o sistema CAD reconhece, numa determinada aplicação, que a informação foi alterada, mas não faz a atualização da informação que lhe está relacionada noutras aplicações até que o operador lhe dê instruções sobre o que deve fazer. Com a associatividade automática, qualquer alteração executada no modelo, quer seja a nível dimensional quer em nível de topologia, independentemente da aplicação onde for realizada, causa as alterações, apropriadas nas outras aplicações que utilizam o mesmo modelo, sem que seja necessária a intervenção do utilizador. Por exemplo, uma alteração de uma dimensão no desenho 2D, reflete-se em todas as outras aplicações que usam os dados iterados, tal como pode ser o caso da uma aplicação de CAM. Na metodologia do processo de projeto tradicional, a estratégia de desenvolvimento de produto segue uma sequência rígida de passos numerados de 1 a 6, com possibilidade de retornar nos passos 4 e 5, para refinamento do projeto no passo 3. Uma proposta mais moderna faz o processo de projeto sofrer uma mudança radical de fluxo com adoção do conceito de Engenharia Simultânea. Nesta metodologia, as atividades e decisões de projeto são realizadas com os diversos agentes atuando de forma simultânea, integrada e sincronizada no desenvolvimento do produto. O modelo 3D proposto exibe três atividades que representam a maior parte do processo de projeto com adoção de Engenharia Simultânea: a concepção, o refinamento e a implementação. Estas fases dos processos de projetos e fabricação do produto são a base para definir o campo de atuação do CAD-CAE-CAM dentro do processo de projeto de Engenharia A influência dos sistemas CAD, CAE e CAM, na competitividade A utilização de sistemas computacionais nas diferentes áreas da engenharia é uma exigência do atual mercado globalizado altamente competitivo, onde as empresas necessitam produzir cada vez mais, melhor e com custos reduzidos. Além de simplesmente substituir a prancheta pelo computador - automatizando o trabalho do desenhista - os atuais sistemas CAD/CAE/CAM são capazes de aumentar a eficiência de praticamente todas as atividades realizadas por um departamento de engenharia. 19

21 Um maior número de alternativas de projeto é analisado durante a fase de concepção; os defeitos de um novo projeto são corrigidos antes mesmo de um único protótipo ter sido construído; os processos de fabricação são facilmente programados e visualizados na tela do computador; as diferentes etapas do processo de engenharia desenvolvem-se de maneira integrada e simultânea. No início da utilização de softwares de CAD o objetivo principal era aumentar a produtividade na elaboração de desenhos técnicos. Foram alcançados resultados significativos, e o CAD se popularizou na medida em que os microcomputadores foram se tornando mais poderosos e mais baratos. Hoje, uma nova geração de sistemas CAD está mudando o conceito da prancheta eletrônica e incorporando recursos tecnológicos antes somente encontrados em sistemas high-end. Desenhos tridimensionais recursos de modelamentos sólidos, paramétrico e variacional, variação pela árvore de montagem, comandos inteligentes e fáceis de usar estão ao alcance de todos os usuários de CAD. Com estes recursos é possível aumentar a capacidade do projetista, melhorar a qualidade do projeto e a qualidade de comunicação, criar um banco de dados para manufatura, entre outras razões. A tecnologia de CAE permite hoje, a realização de uma grande quantidade de cálculos estruturais voltados para o dimensionamento de estruturas e componentes mecânicos em tempo reduzido. Diversas características do problema real não podiam ser consideradas, poucas alternativas de projeto eram analisadas e a utilização de altos coeficientes de segurança resultava em estruturas superdimensionadas. Com a nova tecnologia o projetista fica liberado do trabalho braçal, concentrando-se na atividade de projetar com mais criatividade. A simulação computacional de um modelo permite a avaliação de um maior número de variações do projeto, com custos e prazos menores reduzindo a necessidade de construção de protótipos. Os atuais sistemas de CAM realizam a programação de todos os tipos de usinagem CNC com mais rapidez e precisão, utilizando um modelo gerado em CAD e otimizando a trajetória da ferramenta. O recurso de simulação gráfica da usinagem permite a verificação de todas as operações envolvidas, através de uma animação tridimensional envolvendo a peça e a ferramenta de corte, eliminando assim a programação de uma máquina-ferramenta CNC feita manualmente, onde a confiabilidade da usinagem somente era alcançada à custa de longos e caros procedimentos de try-out e depuração do programa. O perfil dos usuários de sistemas CAD/CAE/CAM está mudando. Cada vez mais se valoriza a facilidade de uso e de aprendizado dos sistemas. Os comandos devem ser mais intuitivos, autoexplicativos e possuir inteligência associada que resulta em menos interações do usuário com o mouse e o teclado. A integração de sistemas CAD, CAE e CAM podem 20

22 resultar na diminuição do tempo total despendido desde a concepção do produto até a sua fabricação Exemplos de ferramentas CAD SolidWorks O Solidworks é uma ferramenta computacional de projetos, que permite acelerar o processo de desenvolvimento de produtos. Trata-se de um CAD tridimensional para construção de peças, montagens e geração de desenhos bidimensionais de maneira integrada, oferecido pela Dassault Systèmes SolidWorks Corp., fundada em dezembro de 1993 com sede em Concord, Massachusetts, EUA, com mais de projetistas de produtos e engenheiros no mundo, representando mais de empresas. O software apresenta três módulos básicos: modelagem 3D (part), montagem (assembly) e desenho 2D (drawing). Cada um deles tem diferentes funções, comandos e possibilidades, e gera tipos de arquivos (extensões) diferentes AutoCAD O AutoCAD é um programa voltado especialmente para a área das engenharias, ele fornece uma interface repleta de funções para a criação de projetos focados em design, construção civil, arquitetura e muitos outros campos. A Autodesk, Inc., que oferece o software, é uma corporação multinacional americana que se concentra em softwares de design 2D e 3D para uso em arquitetura, engenharia e construção civil, fabricação e mídia e entretenimento. A Autodesk foi fundada em 1982 por John Walker, um co-autor de versões anteriores do produto principal da empresa de software de CAD AutoCAD, e doze outros, sediada em San Rafael, Califórnia Conclusão CAD/CAM como ferramentas auxiliares para projeto de produto é imprescindível para uma organização que trabalhe com um sistema de engenharia simultânea, onde o tempo de lançamento de um produto é cada vez mais curto. Do ponto de vista de engenharia de projetos, o sistema CAD, CAE, CAM otimiza tempo e qualidade, reduzindo os riscos de falha de projeto. Atualmente com sistemas cada vez mais desenvolvidos, os engenheiros têm possibilidade de realizar todo processo de projeto, análise de tensões e simulação de confecção antes de confeccionar, de fato, a ferramenta. Além disso, vale mencionar que os 21

23 recursos de prototipagem rápida estão cada vez mais versáteis e precisos. Hoje é possível obter uma peça funcional horas após a finalização do projeto no computador. Observa-se que as vantagens e as oportunidades oferecidas pelo sistema CAD, CAE e CAM em questão são inúmeras, no entanto, tais sistemas requerem alto investimento em softwares, equipamentos (computadores com boa capacidade e velocidade) e pessoal especializado. Além disso, para que o sistema opere satisfatoriamente dentro da engenharia simultânea, é necessário que os dois tenham condições de interagir entre si dentro de um sistema global. Com isso, as informações sobre o projeto podem correr mais rapidamente para as áreas afins que trabalham juntos. Isto permite, por exemplo, com que seja possível obter uma maior interação entre os diferentes departamentos da empresa, tais como, compras/desenvolvimento de fornecedores, planejamento da produção, planejamento do processo, produção e outros, de modo que possam participar efetivamente do desenvolvimento do desde o seu início. 4. Labview 4.1. Histórico A criação do Labview data de meados da década de 80 por Jeff Kodosky, um dos fundadores da National Instrumentes. Kodosky buscava um ambiente de programação totalmente gráfico e que fosse voltado pra engenheiros e cientistas. Assim, após cerca de dois anos da concepção até o produto final, nascia a primeira versão do Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench, o LabVIEW. O LabVIEW é um software que tem como função primordial registrar e monitorar os dados enviados em tempo real por sensores de vários tipos (temperatura, pressão, umidade, etc.).este programa, pode também condicionar diversas ações, como por exemplo o atuar de um alarme e luzes sinalizadoras de estacionamento Ambiente de trabalho Como foi mostrado, o Labview é um software de analise, aquisição e processamento de dados em tempo real e que por meio de linguagens de programação gráfica possibilita a criação de vários programas que facilitam a vida de seus usuários. Aprender a utilizar este 22

24 programa, demanda uma experiência em linguagem de programação de computadores, e mesmo alguns mais experientes encontram dificuldades uma vez que para eles se torna desconfortável a abordagem de programação visual em comparação com a codificação tradicional Funcionamento Ao iniciarmos o programa, surge a tela inicial do Labview e nela devemos clicar em "Continue" e surge-nos a janela que nos irá permitir criar um novo documento. Para criarmos um novo documento em branco devemos clicar em "New".Se pretendermos trabalhar noutro ficheiro já criado, deveríamos clicar em "Open" e escolher o ficheiro pretendido. Após termos clicado em "New" devemos escolher o tipo de documento de trabalho que pretendemos criar. Devemos então, escolher "blank VI" e depois clicar em OK. O LabView possui um ficheiro típico de trabalho que se chama "VI" ou Virtual instrument. VI - Significa literalmente Virtual Instrument e permite criar instrumentos de medida e análise de sinais e outro tipo de informação no nosso PC de trabalho, trabalhando com eles tal como se existissem fisicamente. Ele abre imediatamente duas telas: O Painel Frontal (Front Panel) e o diagrama de Blocos (Block Diagram). Figura 13: Painel Frontal e Diagrama de Blocos. Todo e qualquer instrumento de medida tem um painel frontal onde estão localizados os botões e comandos que devemos manipular para operar com o aparelho, a isso se chama "Front Panel". Além disso, o aparelho de medida tem também um circuito interno eletrônico de processamento de sinais e informação, esse circuito constitui o "Block Diagram". No "Block Diagram", aparecem os objetos correspondentes aos colocados no "Front Panel", e onde depois poderão ser realizadas as correspondentes ligações: 23

25 Figura 14: Exemplo de ferramentas introduzidas no Block Diagram e no Front Panel. Como foi visto a cima, o LabView consiste em uma ferramenta que utiliza linguagem de programação gráfica. Desta forma, o programa utiliza uma linguagem própria e semelhante a Linguagem C, a Linguagem G. Ela permite implementar os mesmos tipos de estruturas de programação, tornando-as ainda mais versáteis que as existentes em linguagem C. Existem mais de 3000 opções e funções que podem ser usadas com LabView de modo a realizar as mais diversas ações de aquisição e tratamento de vários tipos de informação. As estruturas em linguagem G são colocadas no Block Diagram. Esse tipo de código possibilita o uso de estruturas como o IF/CASE, WHILE e o FOR. Abaixo exemplo da estrutura FOR: Figura 15: Estrutura FOR no LabView. 24

26 Aquisição de Dados com o LabView A Aquisição de dados com Labview faz-se através de interfaces em placa PCI, PCMCIA ou mais recentemente através de dispositivos USB. É assim que a informação é adquirida em "campo" para depois poder ser tratada pelo sistema de processamento de dados interno e Labview e eventualmente enviada para o "campo" ou circuito. Existem, no entanto outros sistemas USB de baixo custo que permitem perfeitamente adquirir, tratar e eneviar informação para circuitos externos. Trata-se do USB 6008: Figura 16: USB 6008 Vamos apresentar um exemplo típico de uso deste dispositivo DAQ (USB 6008), que consiste em leitura de tensão analógica. Devemos então começar por criar um novo "Blank vi", tal como já foi explicado, obtém-se assim um Block Diagram e um Control Panel em Branco. A aquisição de dados faz-se através do Block Diagram, sempre com a atuação do botão direito e acedendo as seguintes palettes. Devemos escolher primeiro Input -> DAQ Assist. Depois devemos "soltálo" sobre o Painel e da janela seguinte escolher "Analog Input". De seguida abrindo o menu "Analog Input" devemos escolher "Voltage". Obtemos depois o acesso aos pinos físicos do dispositivo e aí devemos escolher um deles (neste caso escolhemos ai0) (figura17). Depois entramos na janela definições do canal físico (figura 18), limites de valores de tensão, amostragens, etc. 25

27 Figura 17 Figura 18 Selecionando depois o folder "Connection Diagram", temos acesso ao tipo de ligações físicas que temos efetivamente de realizar. Clicamos depois em OK e o VI DAQ - inicializa-se e constrói-se por ele próprio, ficando depois no Block Diagram (figura 19). Devemos depois voltar ao Control Panel e podemos lá colocar um gráfico e um indicador numérico para monitorizar a informação que vem do dispositivo de aquisição de dados. Acesso ao indicador numérico (sempre via botão direito do mouse). Acesso ao Gráfico (sempre via botão direito do mouse). Depois voltando ao Block Diagram devemos realizar as ligações (figura 20). Figura 19 Figura 20 Finalmente o VI está pronto para correr e mostrar a informação que está a ser adquirida em tempo real. 26

28 4.4. Aplicações na Engenharia O que foi mostrado ate agora é apenas uma ínfima parte das aplicações que o LabView possibilita realizar. Concretamente é utilizado na monitorização e gestão de grandes unidades de produção permitindo a distância não só monitorar todo o processo de fabrico, mas também geri-lo e controlá-lo através da atuação a distância (normalmente via Internet) de máquinas envolvidas nas linhas de produção. Um exemplo da aplicação do LabView foi desenvolvida integralmente em Portugal por uma PME de dois irmãos e consistiu no controle e monitorização - vídeo de um processo de fabrico de circuitos integrados para a indústria automóvel numa grande unidade de produção na península de Setúbal. O LabView permite também a implementação e monitorização de redes CAN (Computer Area Network) em veículos automóveis e ferroviários, assim como também TAM uma larga aplicação na indústria aeronáutica onde zela pela segurança de pessoas e equipamentos. Na indústria aeronáutica, mais que em qualquer outra a recolha e tratamento de informação pode significar a vida dos passageiros. Também na área acadêmica e de investigação o LabView se revela extremamente importante, pois permite simular uma enorme diversidade de modelos e sistemas antes de os mesmos entrarem efetivamente em produção. Temos como aplicações do LabView: - Simulação de circuitos eletrônicos - Simulação de funções matemáticas (tipo MatLab) - Aquisição e processamento de sinais em tempo real, através da ligação a circuitos Hardware físicos no exterior do PC - Implementação de estruturas de programação em ambiente gráfico (If, while, case, etc...) - Tratamento estatístico de dados - Interação com outros programas, concretamente: - Output em HTML - Output de Reports em EXCEL Assim, é possível verificar e observar, o quão importante é o LabView se aplicado na engenharia, inclusive na Mecatrônica. 27

29 5. Ansys 5.1. Breve histórico Ansys,Inc. é um desenvolvedor de programas de simulação para engenharia (engenharia assistida por computador, ou CAE) sediado em Canonsburg, Pensilvânia, Estados Unidos. A companhia foi fundada em 1970 por John A. Swanson,é denominada originalmente Swanson Analysis Systems, Inc. A Ansys adquiriu diversas companhias desde 2000, incluindo ICEM CFD Engineering, CADOE, CFX, Century Dynamics, Harvard Thermal, Fluent Inc. (2006) e Ansoft Corporation (2008) Ambiente de trabalho Ansys é um software de análises pelo método de elementos finitos. Estas são utilizadas na mecânica de fluidos, transferência de calor, eletromagnetismo e etc. O programa mostra os resultados graficamente na tela permitindo identificação visual da geometria e resultados, facilitando a interpretação do que está ocorrendo na peça ou conjunto. Isso possibilita o aperfeiçoamento antecipado dos projetos de maneira a reduzir custos de gastos de fabricação de protótipos Funcionamento Ansys é um software de análise pelo método de elementos finitos, usado por engenheiros do mundo inteiro em praticamente todas as áreas da engenharia, sendo elas: estruturais, térmicas, de fluidos (incluindo CFD-Computational Fluid Dynamics), elétricoeletrostática e eletromagnética. Este é usado por vários tipos de indústrias, como por exemplo: Aeroespacial, Automotiva, Biomédicas, Pontes e Edificações, Eletrônicas e Eletrodomésticas, equipamentos pesados e máquinas, sistemas Micro-Eletromecânica e de artigos esportivos. A análise de elementos finitos utilizada pelo Ansys é uma forma de simular condições de carga em um projeto e determinar a resposta do produto a essas condições. O projeto é modelado utilizando blocos de construção chamados de elementos discretos. A partir disso, cada elemento tem as equações que descrevem exatamente como ele responde a uma determinada carga. Assim, a "soma" da resposta de todos os elementos no modelo dá a 28

30 resposta total do projeto. Uma vez que, o elemento possui um número finito de incógnitas, ele recebe o nome de elementos finitos. O Ansys / Multiphysics é o principal produto Ansys, que inclui todas as capacidades em todas as disciplinas de engenharia. Este possui três componentes principais de produtos derivados, que são: Ansys /Mecânica (capacidades estruturais e térmicas), Ansys/Emag (eletromagnetismo) e Ansys/FLOTAN (Capacidades CFD). Além destes, existem outras linhas de produtos, sendo elas: Ansys/LS-DYNA (altamente não lineares para problemas estruturais), DesignSpace (um design de fácil utilização e análise do significado para o exame rápido dentro do ambiente de CAD) e Ansys/ ProFEA (análise e otimização do projeto dentro do Pro/ENGINEER). O ambiente Ansys permite vários tipos de análises, estas são: analise estrutural, eletromagnética, térmica, de fluidos e de multi-campos. A seguir será feita a abordagem de cada uma delas. A análise estrutural é usada para determinar as deformações, a tensão, estresses e forças de reação. Ela divide-se em: Análise estática: usada para condições de carga estática. O comportamento não linear, como desvios de grande porte, grande tensão, contato, plasticidade, hiperelasticidade, e fluência podem ser simulados. Análise dinâmica: inclui efeitos de massa e amortecimento. Ela é subdividida em: 1. Análise modal: calcula frequências naturais e modos. 2. Análise Harmônica: determina a resposta da estrutura para carga sinusoidal de amplitude conhecida e frequência. 3. Análise dinâmica de transiente: determina a resposta da estrutura às cargas variáveis no tempo e podem incluir o comportamento não linear. Outras capacidades estruturais: análise de espectro, vibrações aleatórias, autovalor flambagem, subestruturação e submodelagem. Dinâmica explícita com Ansys/LS-DYNA: destinados à deformação muito grande onde as forças de inércia são dominantes. É usado para simular o impacto, esmagamento, conformação, etc. A Análise térmica é usada para determinar a distribuição da temperatura de um objeto. As outras quantidades de interesse incluem quantidade de calor perdido ou ganho, gradientes térmicos e fluxo térmico. Todos os três modos de transferência de calor primários podem ser simulados: condução, convecção e radiação. Ela divide-se em: Regime permanente: efeitos dependentes do tempo são ignorados. 29

31 Transitório: usado para determinar as temperaturas, etc. em função do tempo, permite a mudança de fase (fusão ou congelamento) para ser simulado. A Análise Eletromagnética é usada para calcular campos magnéticos em dispositivos eletromagnéticos. Estes são: Estático e eletromagnético de baixa frequência: usado para simular dispositivos que funcionam com fontes de energia de corrente contínua, corrente alternada de baixa frequência, ou sinais de baixa frequência transitórios. Eletrostático: usado para calcular o campo elétrico de excitação de tensão e carga. Condução de corrente: usado para calcular a condição em um condutor de uma voltagem aplicada. Circuito de acoplamento: usado para casal de circuitos elétricos com dispositivos eletromagnéticos. Os tipos de análises eletromagnéticas são: 1. Análise estática: calcula campos magnéticos para corrente contínua (CC) ou permanente. 2. Análise Harmônica: calcula campos magnéticos para corrente alternada (AC). 3. Análise Transiente: é usada para campos magnéticos variáveis no tempo. A análise de fluidos permite a modelagem de fluxo de fluido e outros relacionados com fenômenos físicos. Ela divide-se em: Dinâmica dos fluidos computacional (CFD): usado para determinar a distribuição de fluxo e temperatura em um fluido. Este inclui o Ansys / FLOTAN, que permite simular fluxo laminar e turbulento, fluxo compressível e incompressível, e várias espécies. Acústica: usado para simular a interação entre o meio e o sólido ao redor. Análise constante do fluido: usado para simular os efeitos de um fluido contido, agora fluindo e calcular as pressões hidrostáticas devido ao vapor. Calor e transporte de massa: um elemento unidimensional é usado para calcular o calor gerado pelo transporte de massa entre dois pontos, como em um tubo. A Análise de multi-campos considera a interação mútua entre dois ou mais campos. O fato de cada campo depender de outro torna impossível para resolver cada um separadamente, portanto, é preciso um programa que resolve os dois problemas de física, combinando-os. Para a análise de uma estrutura, o ANSYS divide o procedimento em três etapas, sendo elas: o Preprocessor, Solution e Postprocessor. Na primeira etapa, Preprocessor, é feita a modelagem da estrutura, a definição do tipo de elemento estrutural (viga, barras, placas, etc.), das constantes características do elemento e do tipo de material relacionado 30