Atuadores especiais: girar, percorrer metros, pegar, segurar pelo vácuo e rodar sem parar
Nem todo movimento é em linha reta entre dois pontos. Girar, percorrer metros, pegar uma peça ou segurá-la pelo vácuo pede atuadores próprios, cada um com a sua conta.
êmbolos e cremalheirapinhãoeixo de saídaAtuador giratório em corte: êmbolos e cremalheira, pinhão, eixo de saída.
- Setor
- Vidraçaria · corte de chapas
- Solicitante
- Engenharia de processo
- Equipamento
- Carregador de vidros CV-09 (projeto novo)
- Prioridade
- Média
- Prazo
- 2 semanas
O novo carregador vai pegar chapas de vidro de 12 kg com ventosas, girá-las 90° e levá-las por 3 m até a mesa de corte, num corredor de 3,5 m. Uma garra separada pega as peças pequenas de acabamento, e um motor pneumático gira a escova de limpeza. Você vai dimensionar o giratório, o eixo de transporte, a garra, as ventosas e conferir o motor.
- 1Calcular o torque e a energia do giro
- 2Escolher o atuador para 3 m de curso num corredor curto
- 3Dimensionar a garra e as ventosas
- 4Conferir o motor pneumático da escova
- 5Fechar as contas no laboratório e emitir o memorial MC-09
Entrega: memorial de cálculo MC-09, no fim da aula
As 5 competências desta aula
- Calcular o torque de um atuador giratório, e verificar a energia do giro.
- Escolher entre cilindros sem haste, guiados, tandem e de várias posições.
- Dimensionar a força de pega de uma garra.
- Dimensionar ventosas, e entender o funcionamento do gerador de vácuo.
- Interpretar a curva de torque e de potência de um motor pneumático.
Atuadores de giro limitado: torque, ângulo e energia
Um quarto de volta, meia volta, uma volta: movimento de ângulo definido, entre dois batentes.
Pinhão e cremalheira. Um ou dois êmbolos empurram uma barra dentada, a cremalheira, que gira uma engrenagem, o pinhão, ligada ao eixo de saída.
| Tipo | Como funciona | Ângulos | Onde se usa |
|---|---|---|---|
| Pinhão e cremalheira | Êmbolos movem uma cremalheira, que gira um pinhão | 90, 180, 360 graus, e mais | Torques médios e altos, giro preciso, amortecimento |
| Palheta | Uma palheta presa ao eixo gira dentro de uma câmara, empurrada pelo ar | Até 270 graus, tipicamente | Compacto e leve, para torques pequenos |
| Cilindro com alavanca | Um cilindro comum, articulado, move um braço | Até cerca de 120 graus | Solução simples: o torque varia ao longo do giro |
| Mesa indexadora | Avança um prato em passos iguais: 4, 6, 8, 12 ou mais posições | Giro sempre no mesmo sentido | Máquinas de montagem com estações em círculo |
| Atuador de válvula | Giratório dimensionado para abrir e fechar válvulas de processo | 90 graus | Válvulas de esfera e borboleta, com retorno por mola como segurança |
O torque de um giratório
Um atuador de pinhão e cremalheira tem êmbolo de 40 mm e pinhão com raio primitivo de 15 mm. Qual é o torque teórico a 6 bar?
- Área do êmbolo: 12,57 cm².
- Força: 6 × 12,57 × 10 = 754 N.
- Torque: 754 × 0,015 = 11,3 N·m.
A carga do giro é a inércia. Em um movimento giratório rápido, o torque para sustentar o peso costuma ser a parte pequena. A parte grande é acelerar, e sobretudo parar, a massa que gira. A grandeza que mede isso é o momento de inércia: depende da massa, e do quadrado da distância dela ao eixo.
| Forma da carga | Momento de inércia |
|---|---|
| Massa concentrada, à distância r do eixo | m × r² |
| Barra de comprimento L, girando pela ponta | m × L² ÷ 3 |
| Barra de comprimento L, girando pelo centro | m × L² ÷ 12 |
| Disco de raio r, girando pelo centro | m × r² ÷ 2 |
| Placa retangular, de lados a e b, girando pelo centro | m × (a² + b²) ÷ 12 |
A energia de um giro
Um giratório move, em 180 graus, um braço de 0,5 kg e 30 cm, girando pela ponta, com uma garra e peça de 2 kg na extremidade. O giro leva 0,5 segundo. Qual é a energia a absorver na parada?
- Inércia do braço: 0,5 × 0,3² ÷ 3 = 0,015 kg·m².
- Inércia da garra com a peça: 2 × 0,3² = 0,18 kg·m². Total: 0,195 kg·m².
- Velocidade angular final: 2 × 3,14 ÷ 0,5 = 12,6 rad/s.
- Energia: 0,195 × 12,6² ÷ 2 = 15,4 J.
Como se escolhe um giratório.
- Torque: o necessário para vencer peso desbalanceado e atrito, com fator de carga de 0,5.
- Energia cinética: conferida contra o valor admissível do catálogo, para o tipo de amortecimento.
- Carga no eixo: forças axiais e radiais, e momento, dentro dos limites dos mancais.
- Ângulo e ajuste, e sensores de posição.
Eixo vertical ou horizontal. Com o eixo na vertical, o peso da carga não exige torque, mas a inércia é a mesma. Com o eixo na horizontal e a carga desbalanceada, o peso ajuda na descida e pesa na subida.
O atuador giratório de pinhão e cremalheira
Dois êmbolos presos a uma cremalheira giram o pinhão do eixo de saída. Gire, toque nos números e veja os 90° acontecerem.
Aponte a câmera do celular para o QR e veja a peça em tamanho real sobre a sua mesa. Ponha o celular ao lado: o atuador é do tamanho de uma mão aberta.
Atenção: esta cópia está rodando só no seu computador. O QR funciona quando a aula estiver publicada.
Sem haste, guiados, tandem e de várias posições
Variações do cilindro, para o que o cilindro comum não resolve: curso longo, carga lateral, mais força, mais de duas posições.
Cilindro sem haste. O êmbolo move um carro externo, que desliza sobre o corpo do cilindro. Não há haste que saia, nem flambagem. Há duas formas de ligar o êmbolo ao carro.
- Acoplamento mecânico: o tubo tem um rasgo ao longo de todo o comprimento, por onde passa a ligação entre o êmbolo e o carro. Uma fita de aço ou de polímero veda o rasgo, abrindo-se apenas onde o êmbolo está. Transmite forças altas. Há um pequeno vazamento, próprio do sistema.
- Acoplamento magnético: o tubo é fechado, e ímãs no êmbolo arrastam ímãs no carro, através da parede. Vedação perfeita. A força é limitada: acima de certo valor, o carro se desacopla do êmbolo.
Os cursos chegam a vários metros. O ponto de atenção é o momento sobre o carro: carga fora do centro pede guias, internas ou externas.
| Atuador | O que tem de especial | Quando usar |
|---|---|---|
| Cilindro sem haste | Carro sobre o tubo, sem haste externa | Cursos longos, espaço restrito, transferência de peças |
| Cilindro guiado | Duas hastes de guia paralelas à haste principal, com placa frontal | Carga lateral, carga que não pode girar, elevadores e batentes |
| Mesa deslizante | Cilindro integrado a uma guia linear de precisão | Posicionamento preciso de peças pequenas, montagem |
| Cilindro tandem | Dois êmbolos em linha, na mesma haste | Quase o dobro da força, quando o diâmetro é limitado |
| Cilindro de várias posições | Dois cilindros unidos pelos fundos, com cursos diferentes | Três ou quatro posições definidas, sem controle eletrônico |
| Cilindro de haste passante | Haste saindo dos dois lados | Mesma força nos dois sentidos, e melhor guia |
| Cilindro com trava | Freio mecânico sobre a haste, liberado pelo ar | Segurar a carga em falta de ar, ou em posição intermediária |
| Fole, ou cilindro de membrana | Bolsa de borracha reforçada, sem êmbolo nem vedação deslizante | Curso curto, força alta, ambiente sujo. Também isola vibração |
| Cilindro de impacto | Acumula ar e o libera de uma vez sobre o êmbolo | Marcar, rebitar e cortar, com energia de golpe |
| Músculo pneumático | Tubo de borracha com malha de fibras: contrai ao ser pressurizado | Força inicial muito alta, movimento suave, sem atrito de vedação |
Várias posições. Dois cilindros de cursos de 50 e de 100 milímetros, unidos pelos fundos, dão quatro posições: 0, 50, 100 e 150 milímetros, conforme qual deles está avançado. Com cursos iguais, três posições.
Tandem. A força de avanço é a soma das duas áreas: a do primeiro êmbolo, e a do segundo, descontada a haste. O consumo de ar também dobra.
Músculo pneumático. Um tubo de borracha, com fibras em losango na parede. Pressurizado, o tubo engorda, e as fibras, que não esticam, obrigam-no a encurtar: até cerca de um quarto do comprimento. No início da contração, a força é várias vezes a de um cilindro do mesmo diâmetro. Cai ao longo do curso, até zero no encurtamento máximo. Não tem partes deslizantes: não há atrito de partida, nem trancos em baixa velocidade.
Ele era físico nuclear, e tinha trabalhado no projeto da primeira bomba atômica. A filha, ainda criança, ficou paralisada pela poliomielite. No hospital de reabilitação, os médicos buscavam um modo de fazer os dedos dela se fecharem em torno de um lápis ou de um talher. Um motor elétrico, com as baterias da época, era pesado demais para ser levado em uma cadeira de rodas. Ele propôs um tubo de borracha, uma malha trançada e um pequeno cilindro de gás
A poliomielite, antes da vacina, deixava a cada ano milhares de pessoas com membros paralisados. Em 1952, ano de uma das piores epidemias nos Estados Unidos, a doença atingiu Karan McKibben, filha de Joseph McKibben, físico que, na década anterior, havia integrado a equipe do laboratório de Los Alamos. Ela foi tratada em um hospital de reabilitação em Downey, na Califórnia, onde uma equipe médica desenvolvia órteses: armações leves, presas à mão e ao antebraço, para devolver movimentos simples a mãos sem força.
A armação resolvia a parte mecânica. Faltava o atuador: algo pequeno e leve, que fechasse os dedos com força moderada, de modo suave, comandado por um movimento que o paciente ainda conseguisse fazer.
A proposta de McKibben, desenvolvida com os médicos do hospital por volta de 1957, aproveitava um princípio já descrito em patentes anteriores. Um tubo de borracha fino, dentro de uma malha trançada de fios, como a que reveste mangueiras, fechado nas pontas. Ligado a um pequeno cilindro de gás carbônico comprimido, preso à cadeira, por uma válvula que o paciente acionava. Ao receber pressão, o tubo inflava, a malha se alargava e, por isso, encurtava, puxando um cabo que fechava os dedos. Ao ser esvaziado, voltava ao comprimento original.
O comportamento lembrava o de um músculo: força grande no início da contração, que diminui à medida que ele encurta, e uma elasticidade natural, que torna o contato com objetos, e com o próprio corpo, suave. O dispositivo pesava poucas dezenas de gramas.
O atuador foi usado em órteses por alguns anos. Perdeu espaço, na década seguinte, por uma razão prática: o paciente dependia de recargas de gás, e os motores elétricos pequenos, com baterias melhores, tornaram-se mais convenientes. Ficou conhecido, na literatura técnica, como músculo de McKibben.
A ideia voltou na década de 1980, quando um fabricante japonês de pneus lançou uma versão industrial, para braços de robôs, e, anos depois, fabricantes de pneumática passaram a oferecer músculos pneumáticos em catálogo, com cursos e forças definidos, para prensas, fixações e mecanismos que pedem movimento sem trancos.
Fontes: Make:, Joseph McKibben and the air muscle (a filha, Karan, com poliomielite em 1952); Wikipedia (inglês), Pneumatic artificial muscles (origem do músculo de McKibben, 1957, no Rancho Los Amigos, em Downey)
Pegar por atrito, e segurar pela atmosfera
Na ponta do manipulador, duas formas de segurar a peça: apertando, ou aspirando.
Uma garra de dois dedos de aço segura uma peça de 0,5 kg que acelera a 5 m/s². Com segurança 2, qual a força por dedo, em newtons?
Garras pneumáticas. Um pequeno cilindro interno move dois ou três dedos, por cunha, alavanca ou pinhão.
| Garra | Movimento dos dedos | Uso típico |
|---|---|---|
| Paralela | Dois dedos que se aproximam mantendo-se paralelos | A mais comum: peças prismáticas e cilíndricas, com dedos sob medida |
| Angular | Dois dedos que giram em torno de pinos, como uma pinça | Simples e rápida. A abertura libera o caminho da peça |
| Radial, de 180 graus | Dedos que abrem até ficarem alinhados | Dispensa o recuo do braço para soltar a peça |
| De três dedos | Três dedos concêntricos, a 120 graus | Peças redondas: centraliza ao pegar |
| De agulhas, de fole e magnética | Formas especiais de pega | Tecidos, peças frágeis, chapas de aço |
Força de pega. Quando a peça é segura por atrito, entre dedos lisos, a força de cada dedo precisa ser várias vezes o peso da peça.
A força de uma garra
Uma garra paralela, de dois dedos, deve segurar uma peça de aço de 0,5 kg, com dedos de aço, com coeficiente de atrito de 0,15. O manipulador acelera a 5 m/s². Com segurança de 2, qual é a força por dedo?
- Força equivalente da peça: 0,5 × (9,81 + 5) = 7,4 N.
- Com segurança de 2: 14,8 N.
- Por dedo: 14,8 ÷ (0,15 × 2) = 49 N.
Vácuo. Para peças lisas e planas, sem ponto de pega, ou frágeis: chapas, vidro, caixas, embalagens, placas.
O ejetor. O ar comprimido passa por um bocal estreito, e ganha velocidade. Na saída do bocal, a pressão cai abaixo da atmosférica, e o jato arrasta o ar do ramal ligado à ventosa. Atinge vácuos de 80 a 90 %, em frações de segundo. É pequeno, leve, barato, e fica junto à ventosa. O custo é o consumo: de dezenas a centenas de litros de ar comprimido por minuto, enquanto estiver ligado. Para uso contínuo e grandes vazões, usa-se bomba de vácuo elétrica.
Economia de ar. Ejetores com vacuostato e válvula de retenção desligam o ar comprimido quando o vácuo é atingido, e religam só se ele cair. Em peças estanques, o consumo cai mais de 90 %.
Ventosas para uma chapa
Uma chapa de aço de 12 kg deve ser erguida na horizontal, por cima, com aceleração de 3 m/s², por quatro ventosas, com vácuo de 60 % e segurança de 2. Que diâmetro de ventosa adotar?
- Força necessária: 12 × (9,81 + 3) × 2 = 307 N.
- Por ventosa: 307 ÷ 4 = 77 N.
- Área: 77 ÷ 6 N por cm² = 12,8 cm². Diâmetro: 40,4 mm.
Cuidados com o vácuo.
- Superfície porosa ou rugosa: o ar entra, o vácuo não se mantém, e é preciso mais vazão de aspiração.
- Queda de energia ou de ar: a peça cai. Em cargas pesadas, usam-se reservatório de vácuo, válvula de retenção e alarme.
- Material da ventosa: conforme óleo, temperatura e marcas admissíveis na peça.
- Sopro de soltura: um pulso de ar comprimido solta a peça depressa.
- Várias ventosas em um só gerador: se uma ficar descoberta, todas perdem o vácuo. Usam-se válvulas de bloqueio em cada uma.
Motores pneumáticos: giro contínuo, torque e potência
Ferramentas manuais, agitadores, guinchos, e todo acionamento giratório em área onde eletricidade é risco.
| Tipo | Como funciona | Características |
|---|---|---|
| De palhetas | Rotor excêntrico com palhetas deslizantes, empurradas pelo ar | O mais comum: compacto, leve, de alta rotação. Em quase toda ferramenta manual |
| De pistões | Pistões radiais ou axiais acionam um eixo | Torque alto em baixa rotação, bom controle. Guinchos e misturadores |
| De engrenagens | O ar gira um par de engrenagens | Potências altas, robusto. Partida de motores grandes |
| Turbina | Um jato de ar gira um rotor de pás | Rotações altíssimas com torque baixo. Retíficas finas e instrumentos |
A curva do motor. Parado, com o ar ligado, o motor faz o seu torque máximo, o de partida. À medida que a rotação sobe, o torque cai, quase em linha reta, até zero na rotação livre, sem carga. A potência, que é o produto de torque e rotação, é nula nos dois extremos, e máxima perto da metade da rotação livre.
O que a curva significa na prática.
- Autorregulação. Se a carga aumenta, o motor perde rotação, e ganha torque. Se a carga some, acelera até a rotação livre.
- Pode travar. Bloqueado, o motor fica parado, fazendo o torque de partida, sem aquecer nem queimar. Solta a carga, e volta a girar. É a propriedade que o torna adequado para apertadeiras: gira até o parafuso encostar, e para, com torque definido pela pressão.
- Regulagem. A pressão ajusta o torque. A vazão, por estrangulamento, ajusta a rotação.
- Escolha. O motor é selecionado para trabalhar entre 40 e 60 % da rotação livre, perto da potência máxima. Em geral, com redutor de engrenagens.
O ponto de trabalho de um motor
Um motor de palhetas tem torque de partida de 4 N·m e rotação livre de 3 000 rpm. Qual é a potência máxima? E o torque disponível a 2 400 rpm?
- Potência máxima: a 1 500 rpm, com torque de 2 N·m.
- P = 2 × 1 500 ÷ 9,55 = 314 W.
- A 2 400 rpm, 80 % da livre: torque de 4 × (1 − 0,8) = 0,8 N·m.
- Potência nesse ponto: 0,8 × 2 400 ÷ 9,55 = 201 W.
Vantagens.
- Segurança em área explosiva: não gera faísca, e o ar que se expande o resfria.
- Potência por peso: um motor pneumático de 1 kW pesa uma fração de um elétrico equivalente. Por isso, a ferramenta manual a ar é leve.
- Tolera sobrecarga, travamento, umidade, poeira e calor.
- Reversível, e de rotação ajustável sem eletrônica.
O preço: energia. Um motor de palhetas consome, em ordem de grandeza, 1 m³ de ar livre por minuto para cada quilowatt no eixo. Produzir esse ar exige de 6 a 7 kW no compressor. O rendimento global fica entre 10 e 20 %. Onde um motor elétrico pode ser usado, e o trabalho é contínuo, ele gasta várias vezes menos.
Ruído e óleo. O escape é ruidoso, e pede silenciador. Motores de palhetas tradicionais exigem ar lubrificado, e o escape leva névoa de óleo ao ambiente. Há versões que operam a seco.
A broca do dentista girava puxada por uma correia, que passava por polias em um braço articulado, e vinha de um motor elétrico no pedestal. Fazia alguns milhares de rotações por minuto, vibrava, aquecia o dente, e exigia que o profissional empurrasse. Um dentista da capital americana passou anos em busca de outra forma de girar a broca. A solução cabia dentro da cabeça da caneta: uma turbina do tamanho de uma ervilha
Até a metade do século XX, a remoção de cárie era feita com brocas de aço em baixa rotação. O motor de correia, comum nos consultórios, levava a broca a poucos milhares de rotações por minuto, e os melhores sistemas mecânicos chegavam a algumas dezenas de milhares. Nessa velocidade, a broca corta por pressão: o dentista empurra, o dente vibra, o atrito aquece, e o paciente sente tudo.
A solução conhecida era aumentar muito a rotação, com brocas de diamante ou de metal duro, que cortam com toque leve. O obstáculo era mecânico: correias, polias e engrenagens não suportavam centenas de milhares de rotações por minuto na ponta de um instrumento do tamanho de uma caneta.
Vários inventores, em países diferentes, chegaram à mesma direção: uma turbina na cabeça do instrumento, sem transmissão alguma. Houve uma patente de turbina a ar na Nova Zelândia, no fim da década de 1940, e uma turbina movida a água em um laboratório do governo americano, no início da de 1950. A versão que mudou a prática foi a de John Borden, dentista de Washington, lançada comercialmente em 1957. Um pequeno rotor de pás, montado sobre rolamentos de esferas minúsculos, girado por um jato de ar comprimido que chegava por um tubo fino, dentro do cabo. A broca era presa diretamente ao rotor.
Os números eram de outra ordem: cerca de 300 mil rotações por minuto. O torque era mínimo, e isso passou a ser uma vantagem: se o dentista pressionasse demais, a turbina simplesmente perdia rotação. Um jato de água junto à broca resfriava o dente.
A adoção foi muito rápida: em poucos anos, a turbina a ar estava na maior parte dos consultórios dos países ricos. O som agudo que se tornou a marca do consultório dentário é o do escape dessa turbina.
A turbina não eliminou os outros acionamentos. Para trabalhos que pedem torque, em baixa rotação, usam-se micromotores, pneumáticos ou elétricos. E os motores elétricos de alta rotação, com multiplicador de engrenagens, disputam hoje o espaço da turbina, por manterem a rotação sob carga.
Fontes: Virtual Dental Museum (Universidade do Pacífico), A dynamic decade: speeding up the handpiece (patente do Airotor em 1957); Stony Brook University Libraries, Borden Air Turbine High-Speed Handpiece; Spear Education, Facts and figures: the high-speed handpiece
Torque de giratório, energia do giro, força de pega de garra, ventosas, curva do motor, qual atuador para cada tarefa, o que fazer, e treino
O primeiro modo calcula o torque. O segundo, a energia a absorver na parada. O terceiro dimensiona a garra. O quarto, as ventosas. O quinto mostra o ponto de trabalho de um motor. O sexto classifica tarefas. O sétimo apresenta decisões. O oitavo sorteia contas.
Quatro erros com atuadores especiais
Em cada grupo, um cálculo que se esquece.
O atuador gira a carga, e se destrói ao pará-la.
Em pega por atrito, a força é muitas vezes o peso.
Sem ar, o ejetor para, e a peça cai.
Na rotação livre, o torque é zero.
A força de uma ventosa
Uma ventosa circular tem 80 mm de diâmetro, com área de 50,3 cm², e trabalha com vácuo de 70 %, ou seja, com diferença de pressão de 0,7 bar, que equivale a 7 N por cm². Qual é a força teórica de sustentação, em newtons?
Atuadores especiais no seu trabalho
Manipuladores, dispositivos de montagem, embalagem, paletização, ferramentas: é onde esses atuadores aparecem, e onde os seus defeitos típicos se repetem. Clique em um cartão.
Emita o documento do seu trabalho
Os resultados do laboratório entram sozinhos. Complete o que falta, assine e salve em PDF: é a sua peça de portfólio desta aula.
Memorial de cálculo: atuadores do carregador de vidros CV-09
| Torque do atuador giratório | |
|---|---|
| Energia do giro e verificação | |
| Atuador de transporte de 3 m | |
| Força da garra (por dedo) | |
| Ventosas: número e diâmetro | |
| Motor da escova: rotação na carga |
| Conclusão do técnico |
|---|
7 situações de trabalho
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Mensagem do feedback.
Inércia no giro, atrito na garra, atmosfera na ventosa, e meia rotação no motor
Os atuadores estão apresentados. Todos, do cilindro mais simples ao motor, só se movem quando alguém decide para onde o ar vai: para qual câmara, por quanto tempo, e por onde ele sai. Quem toma essa decisão, em um circuito pneumático, é a válvula direcional. A próxima aula mostra como ela é construída, como se lê o seu símbolo, o que significam os números das suas vias, e de quantas formas pode ser acionada.