Como construir um servo rudimentar com motor, parafuso, porca e madeira

Um servomotor, ou simplesmente servo, é um dispositivo muito utilizado quando precisamos controlar mecanicamente a posição de alguma coisa.

No modelismo encontramos servos controlando:

leme de barcos;

direção de automodelos;

profundor e ailerons de aeromodelos;

mecanismos articulados

e muitas outras aplicações.

Mas será que conseguimos construir um mecanismo semelhante utilizando materiais extremamente simples?

Neste projeto fiz justamente essa experiência.

Utilizei basicamente:

um pequeno motor DC escovado, um parafuso, uma porca e uma estrutura de madeira.

O resultado é um mecanismo rudimentar que ajuda a compreender vários princípios encontrados em sistemas de atuação e posicionamento.

O que é um servo?

Antes de observar nossa construção, precisamos entender uma diferença importante.

Um motor elétrico comum recebe energia e:

gira.

Se aplicarmos tensão continuamente, ele continuará tentando girar.

Um sistema servo, por outro lado, é utilizado quando queremos controlar alguma grandeza do movimento, frequentemente a:

posição.

Em um servo RC convencional, por exemplo, não queremos simplesmente que o eixo fique girando.

Queremos poder comandar algo como:

vá para determinada posição.

O sistema movimenta o eixo até aquela posição e procura mantê-lo nela.

O problema do motor comum

Imagine que precisamos movimentar o leme de uma lancha.

Poderíamos ligar um pequeno motor diretamente ao mecanismo.

Mas teríamos imediatamente um problema:

como saber quando parar o motor?

Se ele continuar girando, o mecanismo continuará se movimentando até atingir algum limite físico.

Precisamos então de uma maneira de transformar a rotação do motor em um movimento que possa ser:

controlado e limitado.

É justamente aqui que nosso parafuso se torna interessante.

Transformando rotação em movimento linear

Um parafuso e uma porca formam um mecanismo extremamente simples.

Imagine que a porca não possa girar.

Agora fazemos o parafuso girar.

O que acontece?

A porca se desloca ao longo do parafuso.

Temos então uma transformação:

rotação do parafuso

deslocamento da porca.

Se invertermos o sentido de rotação:

a porca se desloca no sentido contrário.

Esse é o princípio mecânico central utilizado neste projeto.

O motor gira o parafuso

Agora conectamos o eixo de um pequeno motor DC escovado ao parafuso.

Quando alimentamos o motor:

motor gira

parafuso gira

porca se desloca.

Invertendo a polaridade aplicada ao motor:

motor gira ao contrário

parafuso gira ao contrário

porca retorna.

Assim conseguimos produzir um movimento de:

ida e volta

utilizando um motor que originalmente apenas produz rotação.

Veja o servo rudimentar funcionando

No vídeo mostro a construção desse mecanismo utilizando materiais simples.

O objetivo não é competir com a precisão ou velocidade de um servo comercial.

A graça do projeto está justamente em observar como podemos transformar o movimento de um pequeno motor em deslocamento mecânico controlável.

Por que utilizar um parafuso?

O parafuso oferece uma vantagem mecânica muito interessante.

Para cada volta completa, a porca avança apenas uma determinada distância.

Essa distância está relacionada ao:

passo da rosca.

Portanto, podemos ter muitas rotações do motor produzindo um deslocamento relativamente pequeno.

Isso funciona como uma forma de:

redução mecânica.

Em troca de velocidade, podemos obter maior capacidade de produzir força linear, dentro das limitações do mecanismo.

Velocidade e força: existe uma troca

Esse conceito aparece constantemente em mecânica.

Imagine duas situações.

Na primeira, queremos que o mecanismo se desloque:

muito rapidamente.

Na segunda, queremos que consiga exercer:

mais força.

Frequentemente precisamos fazer uma escolha entre essas características.

Uma redução mecânica permite trocar:

velocidade

por:

torque ou força disponível.

É exatamente o princípio encontrado em sistemas de engrenagens.

Nosso parafuso também produz uma relação mecânica entre o movimento do motor e o deslocamento final.

Quanto a porca anda a cada volta?

Isso depende da rosca utilizada.

Se um mecanismo possuir avanço de, por exemplo:

1 mm por volta,

então, aproximadamente:

1 volta → 1 mm

10 voltas → 10 mm

20 voltas → 20 mm.

Esse exemplo ajuda a visualizar por que um motor relativamente rápido pode produzir um movimento linear muito mais lento.

O valor real depende do tipo de parafuso e de sua rosca.

A madeira serve como estrutura

Neste projeto, a madeira possui uma função essencialmente:

mecânica.

Precisamos manter as peças alinhadas e criar uma estrutura capaz de sustentar:

motor;

parafuso;

porca

e os pontos de apoio.

Isso mostra uma coisa que gosto bastante nos projetos caseiros:

nem tudo precisa começar com uma peça industrial especialmente fabricada para aquela finalidade.

Materiais simples podem ser excelentes para:

prototipagem e experimentação.

O alinhamento é muito importante

Embora o mecanismo seja simples, existe um detalhe que pode fazer uma enorme diferença:

o alinhamento.

O eixo do motor e o parafuso precisam trabalhar de maneira razoavelmente alinhada.

Caso contrário, podemos gerar:

vibração;

atrito;

esforço lateral no eixo;

travamentos;

perda de eficiência.

Quanto melhor o alinhamento, mais suave tende a ser o movimento.

Como ligar o motor ao parafuso?

Precisamos de algum tipo de:

acoplamento mecânico.

Em uma construção artesanal existem diferentes maneiras de fazer isso.

O importante é que o movimento do eixo do motor consiga ser transmitido ao parafuso sem provocar desalinhamento excessivo.

Em projetos mais elaborados existem componentes específicos chamados:

acopladores de eixo.

Mas em uma experiência rudimentar podemos estudar o princípio utilizando soluções muito mais simples.

Como fazemos o mecanismo andar para os dois lados?

Um motor DC escovado possui uma característica muito útil.

Se aplicarmos:

+ e −

em determinada orientação, ele gira para um lado.

Se invertermos:

− e +

ele gira no sentido contrário.

Portanto:

polaridade A → movimento para um lado

polaridade invertida → movimento para o outro.

Essa reversibilidade é justamente o que precisamos para deslocar a porca para frente e para trás.

Podemos fazer isso eletronicamente?

Sim.

Um circuito muito utilizado para controlar o sentido de rotação de motores DC é a:

ponte H.

Ela permite aplicar ao motor:

uma polaridade

ou:

a polaridade inversa

sem precisarmos trocar os fios manualmente.

De maneira simplificada:

comando 1 → motor gira para frente

comando 2 → motor gira para trás

comando 3 → motor para.

A partir daí, nosso mecanismo mecânico simples começa a poder ser controlado eletronicamente.

Mas isso já é um servo verdadeiro?

Aqui precisamos fazer uma distinção importante.

Não necessariamente.

Até agora construímos um:

atuador eletromecânico reversível.

Podemos mandar o motor girar para um lado ou para o outro.

Mas um verdadeiro sistema servo normalmente possui algo fundamental:

realimentação.

Ou, em inglês:

feedback.

O que é feedback?

Imagine que eu diga:

“vá até a posição 50%”.

Para fazer isso corretamente, o sistema precisa saber:

onde está agora.

Depois movimenta o motor.

Enquanto se movimenta, verifica novamente:

onde estou?

Quando chega à posição desejada:

para.

Temos então:

posição desejada

comparação

movimento do motor

medição da posição atual

nova comparação

correção

posição desejada atingida.

Isso é um sistema de controle em:

malha fechada.

É assim que funciona um servo RC

Um servo RC convencional reúne vários componentes em uma pequena caixa.

De maneira simplificada, encontramos:

motor DC;

engrenagens;

sensor de posição;

circuito eletrônico de controle.

O motor gira muito rapidamente.

As engrenagens reduzem essa velocidade e aumentam o torque disponível no eixo de saída.

O sensor informa ao circuito a posição atual.

E a eletrônica compara essa posição com aquela que foi comandada.

O potenciômetro como sensor de posição

Em muitos servos RC tradicionais, o sensor utilizado é um:

potenciômetro.

O eixo de saída está mecanicamente relacionado a esse componente.

Conforme o eixo muda de posição:

o potenciômetro também muda.

Isso produz uma informação elétrica correspondente à posição.

O circuito consegue então saber aproximadamente:

onde está o eixo.

Sem essa informação, ele saberia apenas que mandou o motor girar.

Não saberia necessariamente:

onde o mecanismo chegou.

Como transformar nosso projeto em um sistema de posição?

Agora nosso mecanismo rudimentar fica muito mais interessante.

Poderíamos acrescentar algum tipo de sensor capaz de informar a posição da porca.

Por exemplo, dependendo do projeto:

potenciômetro;

encoder;

sensor magnético;

sensor óptico

ou outro sistema de medição.

Então poderíamos ter:

posição desejada

controlador

ponte H

motor

parafuso

porca

sensor de posição

controlador novamente.

Agora temos um verdadeiro sistema de controle de posição.

Também precisamos saber onde termina o percurso

Existe outro problema importante.

Imagine que a porca chegue ao final do parafuso e o motor continue tentando girar.

O mecanismo pode:

travar;

forçar o motor;

aumentar muito a corrente;

danificar alguma peça.

Por isso, mecanismos lineares frequentemente utilizam:

fins de curso.

São sensores ou interruptores que indicam que o mecanismo chegou ao limite permitido.

O que acontece quando o motor trava?

Quando um motor DC está girando normalmente, sua corrente possui determinado valor.

Quando impedimos mecanicamente sua rotação, podemos chegar à condição chamada:

stall, ou rotor bloqueado.

Nessa situação, a corrente pode aumentar bastante.

Isso pode provocar:

aquecimento;

sobrecarga do circuito;

danos ao motor;

danos à ponte H;

danos à fonte ou bateria.

Por isso não é uma boa ideia simplesmente deixar o motor pressionando indefinidamente o final do mecanismo.

Um fim de curso pode resolver parte do problema

Podemos colocar um pequeno interruptor em cada extremidade.

Quando a porca atingir um dos limites:

aciona o fim de curso.

O circuito então impede que o motor continue tentando movimentá-la naquela direção.

Teríamos:

fim de curso esquerdo

← percurso →

fim de curso direito.

Isso já torna o mecanismo muito mais interessante e seguro.

Esse mecanismo lembra um atuador linear

Embora eu tenha chamado o projeto de servo rudimentar, mecanicamente ele se aproxima bastante do princípio encontrado em alguns:

atuadores lineares de fuso.

Neles, um motor produz rotação e um sistema de parafuso transforma essa rotação em:

movimento linear.

Encontramos mecanismos desse tipo em diversas aplicações, como:

automação;

robótica;

máquinas;

móveis motorizados;

sistemas de posicionamento.

Naturalmente, um atuador comercial possui uma construção muito mais robusta e precisa.

Mas o princípio mecânico pode ser semelhante.

Parafuso comum e fuso não são exatamente a mesma coisa

Para uma experiência caseira, um parafuso convencional funciona muito bem para demonstrar o princípio.

Em máquinas projetadas especificamente para movimento linear, entretanto, encontramos componentes chamados:

fusos.

Eles são projetados pensando justamente em:

movimento;

carga;

precisão;

desgaste;

eficiência.

Existem inclusive fusos de esferas utilizados em máquinas de alta precisão.

Nosso parafuso comum é a versão simples e didática desse conceito.

E a folga da porca?

Se movimentarmos a porca para um lado e depois invertermos imediatamente o sentido, pode existir uma pequena folga antes de o movimento realmente começar no sentido contrário.

Essa folga mecânica é conhecida como:

backlash.

Para uma experiência simples isso provavelmente não é um grande problema.

Mas em sistemas de posicionamento preciso pode ser muito importante.

Imagine uma máquina CNC tentando posicionar uma ferramenta com grande precisão.

Uma pequena folga acumulada pode produzir:

erro de posicionamento.

Madeira também possui limitações

A madeira é excelente para:

testar ideias rapidamente.

Mas ela não possui necessariamente a precisão dimensional e a estabilidade de materiais e estruturas desenvolvidos especificamente para máquinas.

Pode haver:

flexão;

folgas;

desalinhamento;

desgaste.

E isso não é um problema para este projeto.

O objetivo aqui é justamente:

compreender o princípio.

Depois podemos pensar em uma versão melhor.

Do protótipo simples para uma versão eletrônica

Uma evolução natural deste projeto seria acrescentar:

ponte H;

microcontrolador;

sensor de posição;

fins de curso.

Então poderíamos programar algo como:

posição 0%

posição 25%

posição 50%

posição 75%

posição 100%.

O microcontrolador receberia a posição desejada e movimentaria o motor até atingir aquela posição.

E podemos controlar com Arduino

Um Arduino ou outro microcontrolador poderia ser utilizado como controlador do sistema.

Ele não deve necessariamente alimentar o motor diretamente por seus pinos.

O caminho adequado seria utilizar um estágio de potência compatível, como uma ponte H dimensionada para o motor.

Teríamos:

Arduino

driver / ponte H

motor DC

parafuso

movimento linear.

E o sensor retornaria:

posição atual → Arduino.

Assim teríamos um projeto completo de:

controle eletromecânico.

Poderíamos controlar isso pelo rádio RC?

Sim, e essa ligação é especialmente interessante para modelismo.

O receptor RC fornece informações correspondentes à posição comandada pelo transmissor.

Um circuito poderia interpretar esse comando e transformá-lo em uma posição desejada para nosso atuador.

Conceitualmente:

rádio transmissor

receptor RC

controlador

ponte H

motor

parafuso

movimento.

Nesse ponto, aquele mecanismo construído com:

madeira + motor + parafuso + porca

começa realmente a desempenhar uma função semelhante à de um servo dentro de um projeto de modelismo.

Por que construir isso se podemos comprar um servo?

Porque o objetivo não é necessariamente economizar dinheiro.

Um pequeno servo RC comercial provavelmente será:

menor;

mais rápido;

mais preciso;

mais leve;

mais fácil de instalar.

Mas se simplesmente comprarmos um servo, enxergamos apenas:

uma pequena caixa com três fios e um eixo.

Quando construímos um mecanismo como este, começamos a perceber tudo o que precisa acontecer dentro de um sistema de posicionamento:

motor;

redução;

movimento;

sentido;

posição;

limites;

feedback;

controle.

É justamente aí que está o valor deste projeto.

Um projeto simples que ensina muita coisa

Começamos com quatro elementos extremamente simples:

madeira

motor escovado

parafuso

porca.

Mas a partir deles conseguimos estudar:

motores DC;

inversão de polaridade;

movimento rotativo;

movimento linear;

redução mecânica;

torque;

ponte H;

fim de curso;

sensores;

feedback;

controle de posição.

É um excelente exemplo de como um projeto aparentemente rudimentar pode servir para compreender sistemas muito mais sofisticados.

Quer entender melhor servos, motores e sistemas de rádio controle?

No modelismo, muitas vezes compramos um servo, conectamos os três fios ao receptor e simplesmente observamos o mecanismo funcionar.

Mas entender o que existe por trás daquele movimento muda completamente nossa capacidade de:

montar;

adaptar;

diagnosticar problemas;

criar nossos próprios projetos.

No Método 7H RC, trabalho justamente os fundamentos de elétrica e eletrônica aplicados ao modelismo, incluindo os componentes que fazem um modelo receber um comando do rádio e transformá-lo em movimento.

A proposta é deixar de apenas conectar:

receptor → ESC → servo → motor

e começar a compreender o papel de cada elemento dentro do sistema RC.

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