De acordo com PULM e LINDEMAN (2001), um dos principais problemas na atividade de descrição funcional é escolher qual modelo será utilizado. Este problema torna-se maior no contexto de sistemas mecatrônicos, uma vez as diversas abordagens individuais (mecânica, eletrônica e informática) devem integrar diferentes tipos de descrições funcionais de forma a alcançar uma adequação a este tipo de sistema. Autores como BUUR (1990), HILDRE et al. (1996) e SHAKERI (1998), que tratam de sistemáticas de projeto para sistemas mecatrônicos, propõem a utilização de diversos modelos para descrever a funcionalidade de tais sistemas.
A partir do estudo destas abordagens observa-se a utilização conjunta de modelos oriundos de áreas distintas, sejam aqueles utilizados na escola alemã de projeto até modelos normalmente empregados na área de informática e/ou eletrônica. Conforme apontado por SHAKERI (1998), a despeito do fato de que existe uma concordância entre os pesquisadores que o termo mecatrônica é a combinação ou integração das áreas mecânica, eletrônica e informática, parece não haver consenso sobre o tema ‘modelagem de sistemas mecatrônicos’ em função do grande número de modelos disponíveis para a utilização no projeto de tais sistemas.
Apresenta-se a seguir a abordagem proposta por BUUR (1990) e SHAKERI (1998) onde é abordada a descrição funcional no contexto do projeto de sistemas mecatrônicos. Uma primeira observação das abordagens voltadas aos sistemas mecatrônicos é o emprego de funções propostas e a concordância com a lei da causalidade vertical formulada por HUBKA (1980), temas apresentados no decorrer desta seção.
Conforme descrito em HUBKA e EDER (1988), os sistemas técnicos realizam (exercendo seus efeitos) a transformação dos operandos (matéria, energia e informação) através de processos. Dentro dessa visão, uma máquina não é em si um processo técnico, ela exerce os efeitos necessários para o processo acontecer. Os efeitos criados pela máquina são definidos por ANDREASEN (1993) como funções propostas.
ANDREASEN (1993) e BUUR (1990) distinguem as funções de transformação de funções propostas através de formulações verbais distintas. A primeira é expressa na forma ‘{objeto (nome)} é {transformado (verbo)}’. A segunda é expressa de forma a denotar a proposta da máquina, que resulta na forma {ativar (verbo)} {efeito (nome)}. A tabela 2.1 a seguir mostra exemplos de componentes e as funções propostas e de transformação associadas.
Observando a tabela 2.1, a proposta de um motor é ‘criar rotação’ de forma a facilitar a transformação de algum objeto no sistema, onde o motor representa o componente. Caso se pergunte: “Como o motor cria rotação?”, então a resposta é: “Executando a transformação de energia elétrica em energia rotacional” (esse processo de transformação é uma das alternativas possíveis). Nesse contexto, BUUR (1990) observa que existe uma relação hierárquica entre funções
propostas e funções de transformação. Quando se pergunta sobre o efeito necessário para uma transformação, a resposta está na função proposta e, quando se pergunta sobre como os efeitos podem ser realizados, a resposta está na função de transformação num nível secundário.
Tabela 2.1 – Relação entre funções de transformação e funções propostas.
Componente Função de Transformação Função proposta Motor Energia elétrica é transformada em
rotacional
Criar rotação
Amplificador eletrônico
Sinal elétrico é amplificado Garantir amplitude suficiente
Bateria Energia é armazenada Fornecer potência
De acordo com BUUR (1990), o conceito de funções propostas foi derivado da observação de máquinas de transformação de materiais, pois nestas a distinção entre os dois conceitos de função é evidente. Os efeitos criados pela máquina podem ser descritos independentemente da transformação. Por outro lado, BUUR (1990) ressalta que para máquinas de transformação de energia, a distinção entre funções propostas e de transformação não é evidente. Uma engrenagem mecânica, por exemplo, transforma energia rotatória de uma velocidade de revolução para outra. Neste caso, torna-se difícil apontar os efeitos que a máquina exerce para realizar a transformação.
A conexão entre o grau de abstração e o grau de complexidade é outro aspecto importante apontado por HUBKA e EDER (1988). Segundo tais autores, refinar funções em funções parciais (menor grau de complexidade) é somente possível e sensato quando um grau de abstração concreto for obtido. Por sua vez, isto somente é verdade quando um princípio de solução foi estabelecido. Esta é a essência da lei de causalidade vertical formulada por HUBKA (1980). A causalidade reside no seguinte fato: uma vez que a função é formulada, então é possível designar uma série de alternativas como solução. Por sua vez, a decomposição de uma função em subfunções somente é possível quando um meio é escolhido para realizar tal função.
Segundo BUUR (1990), a árvore função/mecanismo é uma forma de ilustrar a lei de causalidade vertical, representando a descrição funcional hierárquica. Tal árvore pode ser decomposta numa estrutura de funções e numa estrutura de mecanismos. A primeira mostra as funções necessárias (no mais baixo nível) que realizam uma ou mais funções no nível mais alto. A segunda mostra os mecanismos necessários para executar a função. A figura 2.7 a seguir ilustra o leiaute da árvore função/mecanismo.
FUNÇÃO MECANISMO 1 F2.1 F2.2 M2.1 M2.2 M2.3 M2.4 M3.3 M3.2 M3.1 M3.4 M3.5 F3.2 F3.3 F3.1 F3.4 ou e MECANISMO 2 MECANISMO 3 F3.2 F3.3 F3.1 F3.4 FUNÇÃO F2.1 F2.2 MECANISMO 2 M2.3 M2.1 M3.3 M3.5 M3.1
Figura 2.8 – Árvore função/mecanismo (SHAKERI, 1998).
Uma outra característica das abordagens voltadas a descrição funcional de sistemas mecatrônicos é a utilização de modelos suplementares. BUUR (1990) propõe suplementar a descrição funcional (seja utilizando funções de transformação ou funções propostas) com modelos que explicitem os estados e transições do sistema. Segundo o autor, a descrição funcional de um sistema mecatrônico não pode ser considerada completa quando utilizando somente funções de transformação (fluxo de energia, matéria e informação) de acordo com os conceitos oriundos da escola alemã de projeto descritos anteriormente. BUUR (1990) ressalta que um sistema mecatrônico trabalha em diferentes estados e a função é dependente do estado do sistema e as transições entre estados são controladas por condições lógicas. Desta forma, a estrutura funcional de um sistema mecatrônico é variável e modifica-se com o estado momentâneo deste, podendo-se modelá-lo como uma máquina de estados finitos, ou seja, descrevendo-o em termos de estados e transições.
O exemplo mostrado na figura 2.9 ilustra a descrição funcional proposta por BUUR (1990). Observe que a cada estado do sistema (sala vazia ou sala ocupada) está associado uma estrutura funcional (figura 2.9c). A figura 2.9b ilustra a função de transformação do sistema.
Segundo HILDRE et al. (1993) e SHAKERI (1998), embora a utilização de diagramas de transição de estados junto com funções de transformação auxilie a descrição do comportamento lógico do sistema mecatrônico, essa abordagem é insuficiente e ineficiente para descrever todos os aspectos comportamentais do sistema. Nesse sentido, os autores propõem a utilização de diversos modelos que inserem perspectivas estruturais e comportamentais à descrição funcional do sistema projetado. SHAKERI (1998) utiliza, além da descrição funcional hierárquica (árvore função/mecanismo), modelos pertencentes a UML (por exemplo, diagramas de seqüência) (RUMBAUGH, et al., 1999).
informação sobre luz ambiente informação sobre ocupação do ambiente energia elétrica fechado se sala está ocupada nível de controle pela intensidade de luz luminosidade (diferentes níveis) função de transformação (processo principal) subprocessos do processo principal b) c) a) ambiente vazio ambiente ocupado ocupação do ambiente registrado nível de luz registrado luz é gerada energia elétrica luminosidade
Figura 2.9 – Descrição funcional de um sistema mecatrônico (BUUR, 1990).
O processo de descrição funcional proposto por SHAKERI (1998) é ilustrado nas figuras 2.10 a 2.12 a seguir. O primeiro passo é formular a estrutura lógica do sistema mecatrônico, mostrada na figura 2.10 (o sistema tratado em SHAKERI é um toca disco digital). Em seguida a árvore função/mecanismo é construída para cada sistema (ou objeto).
Na figura 2.11a é ilustrada a árvore função/mecanismo para a unidade de rotação do disco. As relações entre o motor e engrenagem são ilustradas no diagrama de objeto (figura 2.11b). O objeto motor transfere torque (gera rotação) para a engrenagem e o objeto engrenagem transfere o torque (rotação) desejado para o disco. A ordem em que as funções são executadas pode ser ilustrada utilizando diagramas de seqüência, de acordo com a figura 2.11c. Tais diagramas podem ser diretamente construídos a partir da árvore função/mecanismo (ou a partir do diagrama de objetos), substituindo as instâncias pelos objetos. A figura 2.11c mostra que o objeto motor primeiro envia o torque para o objeto engrenagem que transmite a rotação desejada para o disco. A figura 2.11d mostra o leiaute físico da unidade de rotação.
Toca disco digital Tabela de conteúdos Controle Serviços ao usuário Controlador da unidade de rotação Controlador da unidade de inserção/ejeção Controlador do leitor de disco Unidade de processamento de dados Serviços de amplificação Unidade de rotação Unidade de inserção/ejeção Leitor de disco
Usuário Meio ambiente Amplificador
Sistema de trabalho
Figura 2.10 – Estrutura lógica de um toca disco digital.
Motor Acoplamento daengrenagem Disco
Torque de entrada (rotação) Torque desejado (rotação) Acoplamento da engrenagem Motor Motor M / E Mecânico Motorizado Polia Gerar
rotação Transferirtorque
Transferir torque
Transferir torque Gerar
rotação rotaçãoGerar
Manual Engrenagem Motor Manual CorreiaEngrenagem Motor Eixo motor Rotacionar disco Unidade de rotação Velocidade Rotacionar disco
Motor Acoplamento daengrenagem
Motor
Acoplamento da engrenagem
Transferir torque de entrada para (gerar rotação de entrada) Transferir torque desejado
(rotação) para Disco a) b) c) d)
Figura 2.11 – Modelos utilizados por SHAKERI (1998) para a descrição funcional: a)Árvore função/mecanismo; b) Diagrama de classes para a unidade de rotação (relação entre motor, engrenagem e disco); c)Diagrama de seqüência para a função rotacionar disco; d)Leiaute físico
com os dois princípios de solução para a unidade de rotação.
Quando os princípios de solução dos objetos constituintes do sistema físico são encontrados, inicia-se a especificação funcional para os objetos da parte de controle. A figura 2.12a mostra o princípio de acoplamento entre o controlador e a unidade de rotação. A árvore função/mecanismo para o controlador de rotação é construída, conforme ilustrada na figura 2.12b. A estrutura funcional encontrada ilustra as sub-funções necessárias que devem ser executadas de forma a
completar a tarefa de controle de rotação. A figura 2.12c ilustra a agregação da unidade de controle de rotação, representada em diagrama de classes. Da mesma forma, as relações entre os objetos constituintes da unidade são ilustradas na figura 2.12d.
Controlador Entrada de controle Velocidade medida Referência
Motor Engrenagem (carga)Disco
Controlador de rotação Mecânico Elétrico
(software) Comparar referência
com velocidade medida Amplificador
operacional Digital Controlador Calcular entrada
de controle
Suprir sinal de
controle para motor Medir velocidade Setar valor dereferência Digital Aquisição de
sinais Motor
Servo controlador
Unidade de controle de rotação Servo controlador Motor Relógio
Sinal aquisitado fornece velocidade instantânea Comparador digital Relógio Servo controlador
envia erro de tensão
cálculo
Motor Produz sinal de referência gera entrada de controle para
a)
b)
c)
d)
Figura 2.12 – Descrição funcional da unidade de controle de rotação (SHAKERI, 1998): a)Acoplamento entre controlador e unidade de rotação; b)Árvore função/mecanismo para unidade de rotação; c)Diagrama de classes da unidade de rotação; d)Relações entre os objetos constituintes.
2.3.6 Descrição funcional segundo uma abordagem voltada ao projeto de sistemas