Projeto mecânico e controlador para uma bancada de ensaios automática com 3 GDL

Abstract

A indústria do mármore pode ser considerada como um setor conservador, uma vez que grande parte das técnicas que utiliza durante as fases de extração, corte e acabamento, encontram-se tecnologicamente ultrapassadas e estão altamente dependentes da habilidade e experiência dos seus operadores. Atualmente, existe uma nova linha de investigação que, com recurso a dados provenientes de ensaios não destrutivos, tenta simular a estrutura interna dos blocos de rocha natural, para assim substituir a intuição humana por dados tecnológicos. Presentemente, os ensaios são realizados de forma completamente manual, por operadores com formação especializada, responsáveis pela movimentação de todos os equipamentos de teste para diferentes pontos dos blocos, pelas leituras e seu registo. Esta metodologia apresenta diversos pontos fracos, nomeadamente: i) baixas precisões de posicionamento, ii) elevados tempos de processamento e iii) dados registados em formatos não normalizados. Estas debilidades tornam esta metodologia desadequada para obter dados sólidos e fidedignos. A partir da análise da metodologia atual, tornou-se claro que os principais fatores responsáveis pelo fraco desempenho do sistema são a elevada dependência humana aliada ao uso de uma estrutura desadequada. Assim, o objetivo deste trabalho é o projeto de um novo equipamento totalmente automatizado, capaz de ultrapassar as desvantagens anteriormente referidas. Foi deste modo concebida uma nova estrutura composta por atuadores e guiamentos lineares, dotando o sistema de elevada precisão para a realização de tomografias eletro-resistivas e ultrassónicas em blocos de pedra. Como prova de conceito, foi também implementado, em laboratório, uma simulação do sistema, utilizando dois controladores Siemens, responsáveis por executar ciclos lógicos de leitura, simulando o movimento dos atuadores e recebendo a informação dos sensores. A interação com o operador é levada a cabo através de um painel HMI (Human Machine Interface) e um sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), dotando assim o equipamento de capacidade de comunicação entre controladores e com os equipamentos de teste, sendo capaz de desencadear as tomografias e exportar os dados resultantes em formatos normalizados. Por fim, foi realizada uma comparação estatística entre o sistema original manual e o novo sistema automático projetado, mostrando melhorias significativas em: i) precisão de posicionamento, ii) exatidão dos dados produzidos e iii) tempos de processamento drasticamente reduzidos. Estas melhorias acentuadas, que permitem ao sistema a realização de leituras com grelhas muito mais finas, tornam o equipamento desenvolvido flexível e capaz de produzir resultados consistentes, contribuindo para o desenvolvimento de uma simulação mais exata do interior dos blocos de pedra, evidenciando elevado potencial para no futuro ser integrado no fabrico industrial de pedra ornamental; Mechanical Project Design and Controller for a 3 DOF Automatic Test Bench Abstract: The marble industry can be considered a conservative sector, largely due to the techniques that it uses during the extraction, cutting and finishing stages, which are fairly outdated and highly dependent on human skills and experience. Nowadays, there is a new line of investigation, which tries to simulate the internal structure of natural stone blocks in order to replace human intuition with raw data, based on information sourced from non-destructive testing. Currently these tests are fully manual, carried out by highly trained operators, responsible for moving the testing equipment to different areas of the block, as well as for triggering the measurement and registering the data. This method has several week points, namely: i) low position precision; ii) high processing time and iii) data being saved in a non-standardised format. These weaknesses make this method unsuitable for obtaining accurate and reliable data. With the analysis of the current methodology, it becomes clear that the main factors responsible for the poor performance of the system are the high human dependence and the unsuitable used structure. Therefore, the focus of the present work is to develop a totally new automated equipment, to overcome those above referred drawbacks. A new structure with linear guides and actuators that provide high precision system to perform both electro-resistivity and ultrasonic tomographies in stone blocks was newly designed. As a proof of concept, a simulation of the system was also implemented in a laboratorial environment, using two Siemens controllers, responsible for executing logic testing cycles, simulating the movement of the actuators and receiving feedback from the sensors. The interaction with the operators is carried out by an HMI panel (Human Machine Interface) and a SCADA system (Supervisory Control And Data Acquisition), offering the equipment the ability to communicate between both controllers and the testing equipment, as well as being able to automatically initiate the tomographies and save the data in a standardised format. Finally, a statistical comparison between the original manual system and the new developed automatic one was performed showing significant improvements in: i) positional precision, ii) final data accuracy and iii) processing times drastically shortened. These significant improvements, which made the system able to perform tests with much finer grids, turns the designed flexible equipment able to produce sound results, contributing to the development of a more accurate simulation of the interior of stone blocks and is viewed with high potential to be integrated in future stone industrial manufacturing.