ABSTRACT: The purpose of this article is to address the use of the Arduino prototyping board within the articulation design discipline and the benefits that have been achieved since the implementation of the Polytechnic courses at the Pentágono College. The study and results of some projects carried out by the students will be shown. The construction of mechatronic prototypes has been facilitating learning, as the Arduino allows greater flexibility and rapid development of the project due to its operating architecture. Teachers and students initially discuss the construction of a mechanical project in the corresponding module, later on increased automation. The best results were obtained through the use of the Arduino prototyping board. Thus, it will be analyzed and discussed regarding two projects made in 2018 by mechatronics students.
KEYWORDS: Prototyping Board, Arduino, Articulation Project, Innovation,Technology, Electronics, Mechatronics.
1. Introdução.
A concepção do Arduino ocorreu na cidade de Ivrea na Itália
no ano de 2005, por um grupo composto de cinco
pesquisadores: David Cuartielles,
Massimo Banzi, Tom Igoe, Gianluca Martino e David Mellis.
O objetivo era construir um dispositivo que fosse funcional, barato
e fácil de programar; acessível a estudantes e projetistas amadores, uma vez
que os dispositivos oferecidos no mercado eram mais caros e mais difíceis de programar.
Logo, devido a todas essas facilidades, o Arduino se
popularizou entre os estudantes e projetistas amadores devido a possuir um
código aberto e versatilidade de hardware e programação (EVANS, NOBLE, HOCKENBAU,
2013).
No estudo que realizamos, aproveitamos essas características
para ajudar os alunos do curso de mecatrônica a desenvolver seus projetos de
forma mais eficaz.
Os alunos do curso residem em uma metrópole industrial, trabalham
e estudam, não tendo dificuldade de adquirir materiais de primeira linha para o
desenvolvimento da automação pretendida.
Um dos problemas a ser resolvido para facilitar o aprendizado
dos alunos é ter disponível uma ferramenta de desenvolvimento de custo baixo e
de fácil aplicação para a execução dos projetos.
No estudo que será mostrado sobre alguns trabalhos e projetos
prontos, veremos como foi desenvolvida uma sistemática para atingir este
objetivo.
Na
figura 1, podemos ver o hardware e a placa de prototipagem.
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| Figura 1: Placa de
prototipagem Arduino. |
Este
sistema é constituído basicamente de pinos de entradas e saídas, onde podem ser
conectadas as entradas constituídas de alguns componentes como: botões, sensores,
chaves.
Já
nas saídas, podemos ter: relés, lâmpadas, leds, displays, e outros componentes
necessários, dependendo do objetivo do circuito em tela.
Desta
forma, o projetista (engenheiro, aficionado ou técnico poderá realizar sua
montagem de acordo com o software de comando.
O
coração do sistema é composto por um microcontrolador com arquitetura RISC (reduced
instruction system code), com boa capacidade de processamento na velocidade de
uma instrução a cada instante).
Pode
realizar e executar diversas aplicações que existem no mundo real, em
microssegundos.
Atende
dessa forma os programas de elaboração mais exigentes. Outra vantagem é que não
é necessário gravadores ou fontes de alimentação especiais.
Através
da própria porta USB pode ser feito tanto a gravação do programa como a alimentação
pelo computador.
Caso
seja necessário uma maior corrente de alimentação, pode ser adicionado em um
pino especial um valor de tensão entre 7 à 9V.
Depois,
sendo necessário, o projeto pode ser feito em uma placa dedicada, o
microcontrolador pode ser inserido em um hardware específico.(BANZI, SHILOH, 2015).
2. Metodologia aplicada na pesquisa.
Foram realizados,
para exemplificar, dois estudos de execução de projetos que serão descritos na
seção 3.
Os grupos
fizeram um projeto mecânico, onde as competências de formação de um técnico ou
tecnólogo são exploradas por meio da construção real de protótipos.
Diversas
habilidades são desenvolvidas, tais como: programação baseada em algoritmos, desenvolvimento
de hardware com tecnologia embarcada, projeto eletroeletrônico, segurança de
máquinas e equipamentos, trabalho em equipe.
Algumas dessas
habilidades passam por disciplinas específicas.
No caso da programação
de hardware, as placa Arduino trazem algumas vantagens:
·
Tempo
de projeto reduzido;
·
Ambiente
de programação amigável;
·
Fácil
integração com outros tipos de hardware e softwares;
·
aquisição
de componentes no mercado facilitada;
·
baixo
custo de implementação;
·
rápido
aprendizado da tecnologia.
Obviamente, no
mercado existem outras soluções já consolidadas, por exemplo: CLP (controlador
lógico programável).
Porém, o foco
no aprendizado dos alunos, penando na eficácia e no controle dos custos para os
educandos, torna a solução elegante.
Desta forma, a
aplicação da placa Arduino tem trazido grandes vantagens para os alunos e professores,
possibilitando um contato com dispositivo que poderá ser encontrado no dia a
dia do profissional, apenas mudando algumas características operacionais.
O docente pode
sugerir aplicações com maior complexidade para o treino do aprendiz, visto que
o tempo de aprendizado é mais rápido (STEVAN, SILVA, 2015).
3. Resultados e
discussão.
Foram trabalhadas duas aplicações
reais, realizadas por dois grupos de alunos do curso politécnico em mecatrônica
da Fapen (Faculdade de Tecnologia Pentágono).
Nestes exemplos, veremos as fases
de desenvolvimentos que foram seguidas para chegar no resultado final da
automação dos projetos construídos no módulo de sistema mecânico.
No qual os educandos projetam e
realizam a construção de protótipo com ênfase nas disciplinas de mecânica.
Não é exigida a automação neste
momento, muito embora alguns grupos avancem neste sentido.
3.1 Betoneira Articulada Via Bluetooth (B.A.V.B).
Tabela 1: Integrantes do grupo
Alunos
1 Enzo
de Souza Nunes
2 Fillipe
Marcel Maresch
3 Georges
Julton Cadet
4 Ivan
Serrão Viana
5 Joel
Ferreira da Silva Júnior
6 Jhonatan
da Silva Ferreira
7 Josivaldo
Morgado Cajuhi Fontes
8 Lucas
Santos Prado
9 Kevin
Eduardo da silva
10 Michel
Gomes Delatorre
11 Robson
de Lima Freitas
Na
tabela 1, estão relacionados os nomes dos alunos que participaram do projeto da
construção e automação da betoneira articulado via bluetooth.
O
grupo fez um projeto mecânico no primeiro semestre de 2018, visto na figura 2.
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| Figura 2: Projeto Mecânico (B.A.V.B). |
Existem no mercado diversos
modelos de betoneiras.
Essas máquinas são utilizadas na
construção civil para produção de grandes quantidades de concreto.
O equipamento é constituído de
uma estrutura com um tambor rotativo vazado (cesto) em um dos lados para se
colocar água, cimento e brita.
O controle, ou seja, fazer o
tambor girar e parar, é realizado por uma chave elétrica liga e desliga.(NUNES, 2018).
O diferencial desse protótipo de
inovação foi o seguinte:
·
a
rotação do cesto passa a ser controlada pelo aplicativo bluetooth;
·
o
cesto passa a ter um controle de velocidade de rotação;
·
o
basculamento, ou seja, descarga do concreto, é realizado por um cilindro
pneumático, não necessitando mais de um operador para fazer isso;
·
Possibilidade
de fazer receitas de concreto, o que não existente nas betoneiras tradicionais.
Desta forma, o protótipo trouxe
muitas novidades se compararmos com o equipamento tradicional.
Outro ponto interessante foi o
baixo custo para automatização.
O projeto se tornou viável, pois,
com a utilização do Arduino, foi criada flexibilidade para a programação e
atuação do hardware eletrônico.
Uma vez montada toda a estrutura
mecânica, integrar-se-á a construção com os controles propiciados pelo software
via Arduino.
Caso, futuramente, construído um
equipamento em escala real, somente a escala dos equipamentos mecânicos precisa
ser realizada visando uma maior resistência nas suas partes constituintes.
O projeto eletroeletrônico e
software serão praticamente os mesmos.
Na figura 3, pode se verificar
como foi elaborado o projeto eletroeletrônico.
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Figura 3: Sistema
eletroeletrônico (B.A.V.B).
|
O sistema é composto por:
·
Shield de comunicação bluetooth;
·
Placa
Arduino:
·
placa
de relés para controle da direção e
velocidade do motor.
·
componentes
eletrônicos para polarizações e ligação de leds.
O software de gerenciamento na
sua programação possibilita que os comandos para a betoneira sejam enviados por
meio de um aplicativo de celular via bluetooth.
Este aplicativo é uma interface
com botões touch screen, feitos em uma tela.
Basicamente existem controles de
liga e desliga motor, seleção da velocidade do cesto, botão seletor de receitas
para o tipo de concreto desejado, entre outros.
No aplicativo existe a
possibilidade de serem criados outros controles, bastando apenas mudar o
software Android do aplicativo, que é feito também em código aberto.
Este projeto foi apresentado no
workshop de tecnologia de 2018 e obteve pela equipe dos professores que
analisavam o projeto notas entre A e B, principalmente no quesito inovação.
Outro ponto a observar é que,
caso os alunos tenham interesse (e isto foi sugerido), podem patentear o
produto ou mesmo vender a ideia para uma empresa que possa fazer este produto
em escala real.
Também é comum, em certos centros
de ensino, os alunos criarem uma start up
para iniciar a produção deste equipamento.
Toda essa flexibilidade de construção
foi motivação para trabalhar e executar tarefas com um sistema microcontrolado
acessível e de fácil programação.
Na figura 4 podemos ver a (B.A.V.B) finalizada.
O sistema é composto pelo sistema mecânico do cesto e
um painel onde fica a placa de controle.
No caso do protótipo foi utilizado o ar comprimido
para uma melhor eficiência, pois trata se de um protótipo.
Mas, existe a possibilidade de sistemas maiores serem
construídos com moto-redutores ou sistemas hidráulicos.
Visto que para o basculamento e giro do cesto de
cargas maiores se faz necessário uma maior força aplicada ao sistema.
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Figura 4: (B.A.V.B) terminada.
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3.2 Protótipo Fresadora
Router CNC.
Tabela 2: Integrantes do grupo
Alunos
1 Daniel
Aragão de Sousa
2 Éderson
Elias Rodrigues
3 Erik
de Santana Coelho
4 Henrique
Oliveira dos Prazeres
5 Kauê
Soares Zambelli
6 Raphael
Nelson Trombini
7 Rodrigo
Menezello de Souza
8 Silas
Gomes
9 Vinicius
Tarasiuk
10 Willian
de Sousa Silva
Na
tabela 2 estão listados os nomes dos alunos que participaram do projeto do
Router CNC.
O
projeto mecânico foi realizado no primeiro semestre de 2018, visto na figura 5.
Hoje
temos disponíveis vários tipos de máquinas que trabalham com eixos controlados
para realizar movimentos tridimensionais ou bidimensionais.
Esse
equipamento é conhecido pela sigla CNC (Controle numérico computadorizado), e,
geralmente realiza usinagem em peças.
Outra
possibilidade do emprego de eixos em movimentos no espaço tridimensional são as
impressoras a laser para prototipagem, que usam um sistema semelhante.
O
equipamento desenvolvido pelos alunos é constituído de uma estrutura de perfis
de alumínio onde são montados os motores de passo e seus respectivos eixos
roscados.
A
decomposição desses eixos que são montados nos planos dos eixos respectivos
(X,Y e Z).
Permite
que uma ferramenta seja deslocada para onde se deseja realizar alguma operação
prevista. No caso em tela, há uma fresa que pode usinar materiais.
Uma
unidade eletrônica de atuação dos eixos (motores de passo) é controlada por uma
placa especial que recebe informações do Arduíno.
O
arduino, por sua vez. esta conectado a um
notebook onde tem se o software com o desenho da trajetória a ser feita.
O equipamento tem as
seguintes características:
·
Software
de controle de trajetória de fácil operação e livre;
·
Controle
dos eixos por motor de passo com boa precisão e repetibilidade;
·
Placa
de controle de eixo de baixo custo;
·
Possibilidade
de criação de programas e seu armazenamento no notebook;
·
Custo
geral atrativo para construção de equipamentos mais sofisticados.
Como
no projeto anterior com a utilização do Arduino, foi criada uma boa
flexibilidade para a programação e atuação do hardware eletrônico.
O
tempo de otimização e testes foi baixo se comparado a sistemas de CNC
tradicionais, que necessitam maior especialização dos técnicos e engenheiros.
A
montagem e integração dos componentes pode ser realizada com materiais
mecânicos de fácil aquisição no mercado.
Possibilitando,
dessa forma, uma absorção rápida de conhecimento pelos alunos.
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Figura 5: Fresa Router CNC.
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O sistema eletroeletrônico é
constituído da placa Shield CNC
(liberação e controle dos eixos dos motores de passo) e o Arduino, conforme figura
6.
Toda a unidade foi montada em uma
caixa blindada para proteção do sistema eletrônico.
Foi colocado um ventilador para
refrigerar os dissipadores dos eixos dos motores de passo.
Após os testes se verificou que o
aquecimento estava dentro dos parâmetros toleráveis, cerca de 45 à 50 ºC,
conforme figura 7.
O software de gerenciamento é o E
Cam.
Destarte, existem outros no
mercado que podem ser utilizados com poucas alterações, por exemplo o MACH CNC.
Este equipamento na apresentação
fez usinagem de placas decorativas em acrílico, madeira e placa de latão.
Trocando-se a fresa, podem ser
feitas outros tipos de usinagens tais como rasgos, furos, canais,etc.
Este tipo de usinagem é realizada
por máquinas profissionais de CNC.
O foco do equipamento é usinagem
em baixa escala e peças pequenas.
Este mercado é atrativo, pois
muitas empresas antes de fazerem suas usinagens de forma seriada recorrem a
equipamentos que possam realizar a prototipagem rápida para efetuar testes e try out
de produtos.
Desta forma os alunos puderam
entrar em contato com uma tecnologia importante para suas carreiras e, assim,
aprender novas capacitações e habilidades da área de máquinas de eixos
tridimensionais ou CNC.
Na figura 8 vemos a montagem
final da fresadora router CNC.
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| Figura 6. |
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| Figura 7. |
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| Figura 8. |
4. Considerações Finais.
Por meio dos
estudos dos projetos realizados pelos alunos do curso de mecatrônica foi
possível mostrar as vantagens de se utilizar a placa Arduino na elaboração e
execução dos equipamentos citados no texto.
Vimos que as
facilidades de programação, aquisição, desenvolvimento de softwares
possibilitaram os alunos construir protótipos de equipamentos funcionais e que
podem posteriormente ser realizados em escala real.
Desta forma, o
aluno, juntamente com as orientações dos docentes consegue desenvolver
capacitações e habilidades requeridas para os profissionais que ingressaram no
mercado de trabalho, ou mesmo estejam buscando a especialização.
Como sugestões
futuras, podemos indicar a criação de start
ups para que os discentes possam, eles próprios, iniciarem seus negócios no
mundo da automação industrial.
5. Referências.
BANZI, M.; SHILOH, M. Primeiros passos com o Arduino.São
Paulo: Novatec, 2014.
EVANS, M.; NOBLE, J.; HOCKENBAUM,
J. Arduino em ação. São Paulo: Novatec,
2013.
FRANZ, J. Comando Numérico CNC. Técnica operacional. São Paulo: EPU, 1983.
LANDER, C. W. Eletrônica Industrial. Teoria e
aplicações. São Paulo: McGraw Hill,1988.
MONK, S. Programação com Arduino. Começando com sketches. Porto Alegre: Bookman,
2013.
NUNES, E. S. et al. Betoneira Articulada Via
Bluetooth(B.A.V.B). Trabalho apresentado para finalização de ciclo de
curso. Santo André: Pentágono, 2018.
SOUSA, D. A. et al. Protótipo Fresadora Router CNC. Trabalho
apresentado para finalização de ciclo de curso. Santo André: Pentágono, 2018.
STEVAN, S. L.;
SILVA, R. A. Automação e Instrumentação
Industrial com Arduino. São Paulo: Érica, 2015.
