Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de posicionamento pneumático rotativo. Este sistema possui características de precisão e rigidez compatíveis com a de sistemas de acionamento de robôs e máquinas CNC. O sistema de posicionamento é constituído por um motor pneumático de palhetas, um redutor planetário a tração e uma válvula pneumática proporcional de 4 vias. O motor pneumático acoplado ao redutor a tração é denominado como MPAR (Motor Pneumático de AltaRigidez). O redutor a tração é dimensionado, fabricado e testado. Os resultados dos testes demonstram que este redutor pode ser classificado como sendo de precisão em razão da baixa flutuação de velocidade, do pequeno erro de transmissão e da ausência das folgas. A válvula pneumática proporcional de 4 vias é dimensionada, fabricada e testada. Os resultados dos testes demonstram que a válvula possui uma resposta linear, apresentando saturação significativa apenas nos orifícios de escape e um pequeno vazamento quando totalmente fechada. É realizado um estudo do seu comportamento dinâmico e baseado no modelo desenvolvido é elaborado o projeto do sistema de controle da abertura de seus orifícios. Uma vez definidos os equipamentos, realiza-se o estudo do comportamento dinâmico e em regime permanente do MPAR associado à válvula. Este estudo fornece subsídios para o projeto do sistema de controle do MPAR. Desenvolve-se umaanálise teórica em regime permanente onde se demonstra que o aumento da área de passagem do orifício de escape em relação ao orifício de pressão aumenta o desempenho do motor pneumático. Esta análise é comprovada experimentalmente. Este fato é uma inovação em relação aos tipos de válvula existentes no mercado. A próxima etapa do trabalho é o projeto do sistema de controle do MPAR. Nesta fase são propostos controladores convencionais como um PD (Proporcional-Derivativo) e um PID (Proporcional-Integral-Derivativo) e um controle por realimentação de estados. Dentre estes controladores, o controlador por realimentação de estados apresenta a melhor precisão de posicionamento, com o menor erro de regime, embora apresente uma resposta dinâmica aquém da desejada. A partir dos resultados obtidos nesta tese, conclui-se que o sistema de posicionamento pneumático rotativo possui características de precisão adequadas. Contudo, novas soluções devem ser propostas para o sistema de controle MPAR de forma a melhorar a resposta dinâmica do sistema em malha fechada.

This thesis describes the development of a rotary pneumatic positioning system that, due to the achieved precision and stiffness, can be used to drive robots and CNC machine tools. This positioning system consists of a rotary vane air motor, a planetary traction drive speed reducer and a pneumatic four way proportional valve, The limited stiffness of the air motor is augmented by the speed reducer resulting in the High Stiffness Pneumatic Motor MPAR. The planetary traction reducer is designed, built and tested. The measured results indicate that it has zero backlash coupled with very low speed fluctuations and transmission errors. This classifies it as a precision reducer. The pneumatic four-way proportional valve is also designed, built and tested. The results show that the valve is linear; it has only a significant saturation at the exhaust ports and a small leak when totally closed. Its dynamic characteristics are measured and a model is made to be used in the design of the orifice area control system. Next, the dynamic and steady state behaviours of the MPAR and valve acting together are studied. This furnished the information necessary for the design of the control system for the MPAR. Also, the steady state analysis shows that by making the exhaust ports areas larger than that of the intake, performance is significantly improved. This innovation is not found in present day commercial valves. Finally, the design of the MPAR control system is done. Conventional PD, PID and state feedback controllers are implemented and tested. Results show that the state feedback controller is the best because it gives the smallest position errors although its dynamic response is not very adequate. Therefore, it is concluded that this rotary pneumatic positioning system has good precision but that further research is needed to provide it with an adequate closed loop dynamic response.