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Protótipo de um Elevador de Carga Automatizado
Aline L. T. T. dos Santos 1, Alessandra Fauth2, Diogo Millnitz³,
Letícia B. Alves4
1Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC), Aluno de Engenharia Elétrica, Campus Joinville, [email protected],
[email protected], [email protected], [email protected].
1. RESUMO
Este projeto tem como objetivo utilizar algumas unidades curriculares estudadas até o
presente momento e integrá-las para idealizar o protótipo de um elevador de carga controlado
eletronicamente, distinguindo o tipo de material e definindo o andar a ser destinado. Assim,
colocando em prática, os conceitos aprendidos em sala de aula.
Neste artigo, você encontrará a criação da ideia do projeto, as fundamentações teóricas,
o desenvolvimento prático e as conclusões obtidas no experimento.
Palavras-Chave: Elevador, Carga, Projeto Integrador.
2. INTRODUÇÃO
Neste projeto foram integradas as matérias estudadas até o momento no curso de
Engenharia Elétrica. O projeto constitui-se num elevador de transporte de peças de três andares
(térreo, primeiro e segundo). O sistema de sensores internos do elevador é capaz de identificar
o tipo de material com o qual está carregado (diferenciado entre metal e não metal) e a partir
disto de acordo com a carga, levar ao andar determinado. Após a chegada ao destino, deve-se
descarregar o elevador e apertar um botão para que ele volte ao térreo.
As disciplinas utilizadas são eletrônica digital I e II, eletricidade, desenho técnico e física
I, estas foram integradas da seguinte maneira: eletrônica digital foi integrada à eletricidade pois,
utilizamos portas lógicas para efetuar o controle do elevador, foram realizadas as medições de
corrente e tensão sobre os componentes para a realização dos testes, utilizou-se também, um
motor CC para elevar as cargas. Foi realizada a análise dos fenômenos físicos presentes no
sistema, como por exemplo tração de corda e o diagrama de corpo-livre. Para a criação da
estrutura, foi executado o desenho no AutoCad, sendo assim, utilizando os conceitos aprendidos
na aula de desenho técnico, este desenho foi utilizado como referência para criação da estrutura
física.
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3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Resgate Histórico
Em 1891 durante as suas viagens pelos Estados Unidos e Europa, Nikola Tesla em meio
a inúmeros ensaios científicos e descobertas como a relação de corrente contínua, criou
mecanismos para a produção e uso da eletricidade, desde então ocorreram avanços neste campo
de estudo como afirma Galindo (2015).
Desenho Técnico
A execução de desenhos técnicos é uma ferramenta útil para a realização de análises e
correções em protótipos, visando o andamento do projeto sem que sejam necessárias alterações
em estágios mais avançados do mesmo. É amplamente utilizado nas áreas de engenharia.
Eletricidade
Motores CC:
Motores CC são caracterizados por possuírem alimentação em corrente contínua e em
motores de menor dimensão permanecem com um torque mais eficiente. Devido a proporção,
o motor com esta característica foi selecionado pois, se adequa às necessidades do projeto.
Os motores AC foram sendo substituídos pelos Servo motores DC, que apesar de mais
caros e de geralmente exigirem manutenção mais frequente, demonstraram ser mais
vantajosos pelos seguintes aspectos: maior facilidade de controle, especialmente de
posição e características mais lineares. (TORRES, 1995).
Eletrônica Digital I e II
Ponte H:
A ponte H consiste em um circuito eletrônico, capaz de converter uma fonte de corrente
contínua em uma fonte de corrente alternada, sendo possível determinar o sentido da corrente
bem como a polaridade da tensão sobre um determinado sistema ou componente (Figura 1). A
escolha da ponte H se deu para que fosse possível inverter o sentido do motor CC que controla
o elevador.
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FIGURA 1: Funcionamento Ponte H.
FONTE: Os autores.
Portas Lógicas:
As portas lógicas foram utilizadas na execução de todo o controle do sistema, desde as
determinações de condição para funcionamento, até a o acionamento do motor, onde é feita a
lógica operacional e ligada a Ponte H (L298P).
Física I
Segundo a primeira lei de Newton, o somatório das forças que agem sobre um corpo deve
ser igual a zero, como afirma Halliday (2006). Enquanto que podemos enunciar a Segunda Lei
de Newton como: “A força resultante que age sobre um corpo é igual ao produto da massa do
corpo pela sua aceleração” (Halliday, 2006). Logo:
F = m.a (1)
F = Força; m = massa; a = aceleração.
Todo corpo na Terra está sujeito a força gravitacional (força peso), podendo ser calculado
substituindo a aceleração da gravidade em (1):
P = m.g
P = peso; g = aceleração gravitacional.
Obedecendo a Primeira Lei de Newton, temos que, ao suspender um corpo através de
uma corda ou cabo, o módulo da tensão no cabo será igual ao módulo da força peso do corpo.
T = P
As roldanas são utilizadas para mudar a direção e o módulo de uma força quando deseja-
se mover determinada carga. Com uma única roldana fixa é possível somente alterar a direção
de uma força.
Ao associar algumas roldanas, entre fixas e móveis, obtém-se uma máquina simples.
Para cada roldana móvel existe uma distribuição da força peso do objeto entre as duas
extremidades do cabo que passa por essa roldana (Figura 2).
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Figura 2: Sistema de polia móvel.
FONTE: Os autores.
Logo, a força necessária para erguer o objeto, é igual a metade da força peso, esse efeito
é acumulativo, quanto mais roldanas móveis, menor a força necessária para mover o sistema,
assim pode-se afirmar que a tensão ou força necessária na extremidade solta é inversamente
proporcional a 2n, onde n é o número de roldanas móveis no sistema:
F = P2n
F = Força; P = Peso; n = Número de roldanas móveis.
Lei de Hooke
A Lei de Hooke permite calcular a força exercida sobre um corpo a partir do deslocamento
desse corpo (x) e de uma constante elástica associada a uma mola (k):
F = k . Δx
F = Força; k = Constante elástica da mola; Δx = variação do deslocamento.
4. DESENVOLVIMENTO
Ideia inicial:
O desenho da estrutura do elevador foi representado no padrão adotado no Brasil,
conhecido como primeiro diedro, a escala utilizada para representação na folha foi 1:10. Para
uma melhor compreensão da ideia inicial da estrutura, optou-se como complemento pelo uso
da perspectiva isométrica, a qual realiza a menor sensação de deformação da peça, sendo os
três eixos separados com a mesma angulação entre eles, o que mantem a figura uniforme. Os
dois tipos de representacao se encontram na Figura 3.
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Figura 3: Lado esquerdo: Vistas da estrutura representadas no primeiro diedro.
Lado Direito: Perspectiva isométrica da estrutura.
FONTE: Os autores.
Idealização da Estrutura:
O elevador (Caixa) foi definido com 10x12x12cm (comprimento, largura e altura
respectivamente). Optou-se pela utilização de lâminas de madeira para confecção da caixa,
sendo de fácil manuseio permitindo assim, uma montagem mais simplificada, os furos laterais
tiveram como objetivo comportar os sensores e para uma melhor apresentação, a caixa recebeu
acabamento em preto fosco. Na etapa da estrutura de acomodação, foi decidido trabalhar com
materiais acessíveis, ela é composta de uma base retangular onde foram fixadas quatro réguas
de pinus e nestas, foram parafusados perfis de alumínio para garantir maior estabilidade ao
elevador (Figura 4), quanto a base e as réguas de pinus, as mesmas foram dimensionadas da
seguinte maneira:
Base: 45cm x 27,4cm
Altura da régua de pinus: 58cm
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Figura 4: Caixa do elevador e estrutura de acomodação.
FONTE: Os autores.
Estrutura de içamento
Para comprovar o conceito de associação de roldanas já citado na fundamentação
teórica, desenvolveu-se uma forma de dimensionar a força final necessária para erguer o
elevador, para tal utilizou-se uma mola e uma régua milimetrada. Em um primeiro momento o
elevador foi acoplado a duas roldanas fixas, que invertem o sentido da força a ser aplicada para
suspender o elevador, não alterando o seu módulo, em seguida, foi incorporado um fio
inelástico à extremidade livre da mola do dinamômetro, desta forma obteve-se o comprimento
expandido da mola quando sujeita a força peso do elevador. Inicialmente, consideramos o atrito
entre a caixa do elevador e os trilhos, desprezível. Uma vez que a massa do elevador (194g) e
a aceleração da gravidade são conhecidas foi possível determinar a força peso:
P = m.g = (0,194) . (9,8)
Pelevador = 1,9012 N
P = Peso; m = Massa; g = Aceleração da gravidade.
O comprimento da mola no seu ponto de equilíbrio era de 114 mm. Após liberar o
elevador a mola estendeu-se atingindo um comprimento máximo de 140 mm. Com os valores
iniciais e finais de comprimento da mola e conhecida a força peso da carga, calculou-se a
constante elástica da mola a partir da Lei de Hooke:
k = P. Δx = P(xf-xi) = 1,9012(0,140 - 0,114)
k = 73,1231 N/m
P = Peso; k = Constante elástica da mola; Δx = Variação do deslocamento.
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Como optou-se por utilizar um sistema com duas roldanas móveis (Figura 5), tem-se
que a força necessária para erguer o elevador (vazio) deve ser ligeiramente maior do que um
quarto da força peso do elevador :
Ffinal= P2n = 1,901222
Ffinal esperada = 0,4753 N
P = Peso; n = Número de polias móveis.
Figura 4: Sistema de polias utilizado.
FONTE: Os autores.
Com o sistema rearranjado na configuração final, novamente a mola foi submetida à
força resultante na extremidade solta do sistema. A mola, neste caso sofreu uma expansão muito
pequena, de apenas 2 mm, resultando numa força calculada menor do que a força esperada:
Ffinal calculada = k . Δx = (73,1231) . (0,002)
Ffinal calculada = 0,1462 N
k = Constante elástica da mola; Δx = Variação do deslocamento.
Lógica operacional:
Ao ativar o botão do primeiro andar, o sensor fotoelétrico identifica se há material
dentro do elevador, se houver, ele distinguirá através do sensor indutivo se o material é
metálico, caso seja, o elevador destina-se ao segundo andar, caso o material seja de qualquer
outra espécie, ele destina-se ao primeiro andar. Caso não haja material dentro do elevador, ele
não inicia o deslocamento.
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Chegando a um dos andares destinados, o elevador para e o mesmo deve ser
descarregado. Após a retirada de peças, o usuário deverá apertar o botão para que o elevador
volte a sua origem, isto apenas ocorrerá se não houver nada dentro do elevador. Segue abaixo
a Figura 5 para exemplificar o funcionamento.
Figura 5: Fluxograma de operação.
Fonte: Os autores.
Estrutura elétrica:
Nas laterais do elevador encontram-se dois sensores, um fotoelétrico para identificar se
há material e um sensor indutivo para identificar se o material é metálico.
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Na estrutura do elevador existem dois fins de curso, um na parte superior, para definir
a altura máxima na qual o elevador pode chegar e um na base, para definir a altura mínima na
qual o elevador deve ficar. Existe também um sensor indutivo para definir a posição do primeiro
andar, na parte traseira do elevador foi acoplado uma porca para identificar através do sensor
indutivo, sua posição.
Existem também, 3 leds e 3 botões, os leds são utilizados para sinalizar o andar atual no
qual o elevador se encontra, e os botões são utilizados, para que o deslocamento do elevador
seja iniciado.
Figura 6: Protoboard montado.
FONTE: Os autores.
Para realizar a lógica operacional do sistema, foram utilizados optoacopladores, portas
lógicas, botões e flipflops, segue abaixo a figura 7, demonstrando algumas partes do circuito e
logo após, uma explanação sobre os mesmos.
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Figura 7: Exemplificação do circuito elétrico de acionamento.
FONTE: Os autores.
1) Os sinais oriundos dos sensores e fins de curso, são fornecidos em 24V, porém, os
CI’s utilizados, trabalham em uma tensão de entrada de em média 5V. Os
optoacopladores foram utilizados para diminuir a tensão deste sinal, mas como
consequência, o sinal é invertido. Este circuito foi utilizado para todos os sinais de
sensores.
2) Quando parado, é interessante saber em que andar o elevador está, para isto, foram
utilizadas portas AND com 3 entradas, onde foram ligados os sinais, gerando as
condições para que ele esteja em determinado andar, sendo assim, foram ligados
leds na saída das portas e também, resistores de pull-down, para garantir o sinal
lógico baixo quando o circuito não estiver acionado.
3) Para que o elevador se desloque, foram utilizados 3 botões, onde cada um, ligado as
suas condições, realizará o acionamento inicial para que o elevador efetue o
deslocamento.
4) Foram utilizadas portas AND de 3 entradas, para capturar as condições mínimas de
acionamento do elevador, neste caso temos 4 situações: o deslocamento do térreo
para o primeiro andar, do térreo para o segundo andar, do primeiro andar para o
térreo e do segundo andar para o térreo, em todas as situações, apenas as condições
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de acionamento são alteradas. Foi utilizado um resistor de pull-down para garantir
sinal lógico baixo quando o circuito não estiver acionado.
5) Quando o botão de um respectivo andar é acionado, o motor é ligado, porém a porta
lógica utiliza o sinal do botão para o acionamento, assim que o botão for solto, este
sinal é zerado novamente, para garantir que o motor continue ligado até o seu destino
final, foram utilizados flip-flops do tipo D. Pensando na precisão do sinal, optou-se
pela utilização das entradas de set e reset, ignorando o clock e a entrada D. No pino
de set, foi conectado a condição gerada pela respectiva porta lógica e no pino de
reset, o sensor de percurso final da condição, como por exemplo, o fim de curso que
determina a chegada ao segundo andar.
6) O motor utiliza de duas entradas de sinais, sendo assim, a saída Q dos flip-flops de
subida, foram ligadas em uma porta OR, ou seja, esse sinal representará se o
elevador está subindo, o mesmo vale para as condições de descida. As saídas
resultantes das duas portas OR, de subida e descida, foram ligadas em uma ponte H
(L298P), que de acordo com as condições, realiza a inversão do sentido de rotação
do motor.
5. DIFICULDADES ENCONTRADAS
No decorrer da execução do projeto a equipe encontrou algumas dificuldades, sendo
elas a falta de ferramentas específicas para montagem da estrutura, dificuldades em reproduzir
na prática os fenômenos propostos em teoria, houve também dificuldade na montagem v elétrica
do protótipo, principalmente relacionadas ao mau funcionamento de equipamentos como
circuitos integrados, protoboard e jumpers, o que ocasionou em alterações do circuito original,
houveram dificuldades também na realização dos testes em bancada, por conta do tamanho no
qual se formou o circuito, ocorrendo desconexões de jumpers durante os testes.
6. CONCLUSÃO
Contudo, o presente trabalho apresentou um protótipo de Elevador de Carga, com a
utilização de sensores fotoelétricos e indutivos, CIs e um motor CC. Ao todo foram integradas
4 matérias do curso de Engenharia Elétrica, sendo elas Eletrônica Digital I e II, Eletricidade,
Desenho Técnico e Física I.
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Os principais objetivos estabelecidos foram cumpridos, a montagem da estrutura em
madeira, a elaboração do medidor de forças das polias, a estruturação do circuito de potência e
o de comando e o funcionamento final do protótipo, porém algumas condições que inicialmente
fariam parte do projeto, tiveram que ser retiradas, uma delas foi a utilização de uma porta de
segurança no elevador, que influenciaria nas condições de funcionamento.
Um dos problemas encontrados com o protótipo, foi que a força que o motor deveria fazer para
levantar o elevador, era quatro vezes menor, porém por conta disso o processo inverso também
ocorria, a força peso deveria ser quatro vezes maior para que o elevador deslizasse na estrutura,
fazendo com que adicionássemos pesos ao final do experimento, pois o mesmo estava travando
nas laterais. O projeto foi muito importante para o crescimento acadêmico do grupo, foi
relacionada a prática com a teoria aprendida em sala de aula e em outras fontes didáticas. Foram
desenvolvidas também competências relacionadas a trabalho em equipe, organização, iniciativa
e proatividade.
7. REFERÊNCIAS
TORRES, André Euler. Introdução ao funcionamento e ao acionamento de motores DC. 1995.
Disponível em: <http://www.coep.ufrj.br/~jpaulo/MOTOR-DC-Euler.pdf>. Acesso em: 20
maio 2017.
GALINDO, Elciene. SEGREDO DE TESLA. 2015. Disponível em:
<https://nikolateslabrasil.wordpress.com/2015/12/06/segredo-de-tesla/>. Acesso em: 10 jun.
2017.
Sistema Embutido. O que é a Ponte
H? <http://www.sistemaembutido.com.br/article.php?id=124>. Acessado em: 20/05/2017.
Homepages. A Arte de Escrever Artigos Científicos.
<http://homepages.dcc.ufmg.br/~mirella/doku.php?id=escrita>. Acessado em: 18/05/2017.
HALLIDAY, D. Fundamentos de Física: Mecânica, vol1. 7 ed. LTC, 2006.