VEÍCULO AUTOMÁTICO PARA TRANSPORTE
Ricardo Rípoli (Orientador)*,Edílson Aparecido Martins de Barros**,
Osvaldo Ribeiro da Silva**, Rodrigo Akihiro Irizawa**
Resumo
Devido ao grande avanço tecnológico a que
os meios organizacionais de produção vêem
passando, com o surgimento da robótica industrial,
aprimorou-se a forma de produção seriada com as
células de manufatura, as quais agrupam - se os
processos em equipamentos automatizados que são
capazes de executar diversas operações que antes
eram feitas em várias etapas e equipamentos
diferentes.
Com isso, as formas de movimentar os
materiais dentro dessas células teriam que se
modernizar para conseguir acompanhar os ciclos
produtivos. A partir dessa nova necessidade,
viabilizou-se o estudo de um veículo que
automatizasse o transporte dos materiais entre os
almoxarifados, equipamentos, estoque, bem como o
transporte de ferramentais, enfim, todos os insumos
necessários para as células de manufatura.
Este projeto consiste na elaboração de um
veículo automático para transporte dotado de um
sistema autoguia, capaz de identificar e seguir uma
trajetória previamente demarcada por uma faixa de
contraste de cores e etiquetas com códigos de barra
fixadas no piso.
A leitura da faixa é feita através de sensores
fotoelétricos dispostos à frente do veículo e ligados a
uma unidade lógica digital. Esta unidade é também
responsável pelo acionamento de um sistema de
segurança, monitorado por um sensor de presença,
sendo ativado sempre que houver um obstáculo que
impossibilite o seu deslocamento e em condições
onde se faz necessário cessar o movimento do
veículo, emitindo um sinal sonoro para que um
operador ou o funcionário mais próximo possa
desobstruir sua passagem.
Para executar as tarefas a ele atribuídas o
veículo foi provido de um sistema de leitura de
código de barras. A cada um destes códigos está
associado um ou mais itens de um banco de dados
com as fichas de procedimentos que contém a
descrição detalhada da operação que estiver
realizando, sempre interagindo com o ciclo
produtivo. Todo esse aparato está alocado a uma
plataforma IBM-PC, que é responsável pelo
processamento dos dados e disponibilização das
informações em uma tela de cristal líquido.
A proposta deste projeto se mostra eficaz na
aplicação industrial, podendo também abranger
outros seguimentos onde possa se automatizar o
transporte de objetos, devido a sua simplicidade de
instalação e seu funcionamento, com autonomia
suficiente para suprir o turno de trabalho, o protótipo
possibilita a integração de todos os processos.
Podendo transportar e entregar materiais em diversos
pontos de uma empresa, bem como executar a
alimentação de palets em uma indústria com
segurança e confiabilidade.
Com uma autonomia em média de 12 horas,
transportando cargas de até 50 quilos, em sua
configuração de protótipo, demonstrou ser viável em
regimes de 8 horas/ turno.
Introdução
O interesse no estudo do processo de autoguiar
um veículo é encontrado desde a criação dos veículos
propriamente ditos. Com a evolução dos mecanismos e
dos sistemas de controle baseados em computadores,
este interesse tem evoluído numa proporção ainda
maior. Exemplo desse interesse estão nos constantes
desenvolvimentos de sistemas de produção, transporte e
entretenimento que possuem algum tipo de automação.
A movimentação de materiais tem sido um dos
componentes primordiais na modernização e
flexibilização nos modernos métodos de manufatura,
que em muitos casos, são colocados em uma indústria
como uma atividade crítica. Uma capacidade de
movimentação avançada de materiais é essencial, uma
vez que sem esta habilidade de suprir adequadamente às
requisições de materiais para as estações de trabalho no
tempo exato e na exata quantidade com extrema
facilidade levariam a um menor proveito da produção e
a uma menor eficiência, além de a um maior custo
operacional.
Uma tecnologia corrente de movimentação de
materiais aponta para os veículos guiados
automaticamente (AGV). Um AGV é um transportador
móvel de materiais em geral, projetado e desenhado
para receber e executar instruções, receber e entregar
materiais através de um caminho pré - determinado.
Os AGV's, também conhecidos como
Veículos automáticos para Transporte, são, como o
próprio nome indica, veículos sem condutor e
começaram a ser utilizados a partir da década de 50.
São freqüentemente usados em indústrias,
geralmente para transportar peças ou componentes
em ambientes bem conhecidos (dentro de um galpão,
por exemplo). Esses veículos podem ser muito úteis
em ambientes nocivos ao ser humano, ou para
realizar tarefas cansativas e repetitivas(1).
Os AGVs modernos são veículos
controlados
por
computadores
com
* Formado pela FEI em Engenharia Automobilística
**Formandos do Curso de Tecnologia em Mecânica de Precisão pela FATEC – SP
microprocessadores on board. A maioria dos
sistemas AGV têm também computadores para a
gerência do sistema, otimizando sua utilização dando
ordens de transporte, seguindo o material em
transferência e dirigindo o tráfego. A manipulação
automática da carga é usada em muitos sistemas e
hoje podem ser equipados com os braços e os
prendedores de robôs e executar funções de
manipulação robótica (2).
Diversos métodos de orientação e de
navegação podem ser executados. Os mais usuais
andam seguindo um fio indutivo de guia, por imãs
permanentes, sistemas laser e sistemas óticos feitos
com fita adesiva no piso.
Wire Guidance
A navegação por fio elétrico (wire guidance) é
baseada no fato que um condutor elétrico quando
percorrido por uma corrente alternada cria um campo
eletromagnético à sua volta. Este campo é mais forte
junto do condutor e diminui à medida que se afasta do
condutor. Por outro lado, quando um campo
eletromagnético atravessa uma bobina induz uma
diferença de potencial aos seus terminais, esta diferença
de potencial é proporcional à intensidade do campo
eletromagnético.
O AGV possui uma antena que detecta o
campo eletromagnético gerado pelo condutor
elétrico. Esta antena possui duas bobinas, colocadas
uma de cada lado do condutor que se encontra
instalado no chão. A diferença de potencial entre as
duas bobinas, após ser amplificada, será o sinal de
direção dado ao motor de direção.
Quando a antena encontra –se centrada sobre o fio o
potencial eletromagnético é igual nas duas bobinas,
mas de sinal oposto, sendo a resultante nula e,
portanto o sinal de direção igual a zero. Quando a
antena se posiciona mais para um dos lados, a tensão
numa das bobinas aumenta e diminui na outra,
criando uma resultante não nula. Assim sendo, é
gerado um sinal de direção que controla a rotação do
motor de direção.
Quando se pretende fazer caminhos com
bifurcações é necessário que existam, nessa
bifurcação fios com correntes em freqüências
diferentes para que o veiculo possa saber o caminho
que deve seguir e possuir no mínimo uma antena
para navegação e outra perpendicular a esta para
detectar condutores perpendiculares ao fio principal.
Estes condutores cruzados são utilizados para o
AGV atualizar a sua posição exata. Pode-se utilizar
outras antenas no caso de se andar em marcha ré, etc.
A instalação dos condutores no chão está
hoje facilitada, devido à existência de empresas
especializadas no corte do chão. Máquinas de corte
especializadas conseguem sulcar o chão sem
produzir excessivo barulho, poeira ou salpicos de
água. Estas empresas fazem a instalação completa
dos condutores, incluindo as marcações no chão, a
colocação dos fios, revestimentos, selagem dos
sulcos e polimentos.
O fio condutor normalmente usado possui
uma secção de 1,5mm2 do tipo flexível. Este fio é
colocado numa pequena fenda aberta no chão.
A profundidade da fenda normalmente é de 20mm, e
a sua largura é determinada pelo número de
condutores colocados. A largura normal é de 4mm e
para fendas onde se colocam mais de três fios é de
8mm.
O fio é colocado no fundo da fenda e
coloca-se uma fita esponjosa por cima do fio para
proteção. O resto da fenda é preenchido com um
produto especial de cor neutra e bastante resistente a
condições atmosféricas adversas.
Os condutores não devem ser colocados
junto de construções metálicas porque estas
distorcem o campo magnético.
Os condutores instalados no chão são
ligados em circuito fechado a um gerador de
freqüências. Normalmente podem existir quatro
freqüências, uma para cada condutor. A navegação
por fio ("Wire Guidance") é uma tecnologia bem
conhecida e comprovada. Este sistema utiliza
componentes standard, o que reduz os custos. O
sistema é fácil de instalar e programar.
Alguns sistemas possuem métodos de
navegação onde o corte do chão é minimizado. Não
é necessário cortar as curvas no chão, estas são
programadas usando funções de ensino do AGV. É
possível instalar junto com o fio de navegação um
fio de controle que permite a parada imediata de
todos os veículos no sistema.
Por vezes, o local e os requisitos do sistema
podem tornar difícil e dispendiosa a instalação dos
condutores no chão, sob estas condições é preferível
utilizar outros métodos de navegação.
Magnet-Gyro Guidance
O sistema "Magnet-Gyro Guidance”,
desenvolvido pela AGV Electronics, combina um
sistema com um sensor de ímãs permanentes e um
giroscópio para manter o AGV numa direção
precisa. Possui ainda um sistema odométrico e um
sistema de "feed back" do ângulo de direção.
O sensor magnético dá a informação sobre a
posição do AGV e atualiza a contagem da distância
odométrica à medida que passa pelos ímãs. Tudo isto
combinado, cria um sistema que guia os veículos
com a ajuda de pequenos ímãs colocados no chão, ao
longo do caminho a ser percorrido pelo AGV. Um
par de ímãs em cada 5 a 10 metros é o necessário e
suficiente para construir o caminho.
O custo de instalação deste "caminho" é
cerca de quatro a oito vezes menor quando
comparado com o sistema "Wire Guidance”. Os
ímãs podem ser facilmente instalados no chão onde é
difícil instalar o "Wire Guidance", tais como, em
pisos de madeira, etc.
O sensor magnético contém elementos de
efeito Hall para detectar os campos magnéticos
criados pelos ímãs. O sensor detecta pequenos ímãs
com grande precisão. Este sensor indica as
coordenadas X e Y do AGV quando passa por um
ímã colocado no chão.
Os ímãs permanentes são, normalmente, em
forma de disco e têm cerca de 10mm de diâmetro e
15mm de espessura. São instalados em furos feitos
no chão e cobertos com epóxi dando um acabamento
liso e suave. A distância entre os imãs depende do
tipo de veículo e precisão pretendida. Tipicamente
coloca-se um par de ímãs todos com 5 a 10 metros
de distancia, nos locais onde se fazem curvas
colocam-se mais próximos.
Quando comparado com o "Wire Guidance"
o sistema "Magnet-Gyro Guidance" apresenta
desvantagens: nos custos do sistema de navegação a
bordo do AGV, o que provoca um aumento do preço
do AGV em cerca de 5 a 10 %; menor precisão na
navegação e mais programação na parte fixa do
sistema, além de que os ímãs colocados no chão
podem atrair pequenas partículas magnéticas
existentes no local, o que, no entanto, em condições
normais, não perturba o bom funcionamento do
sistema.
Laser Guidance
O sistema de navegação por laser ("Laser
Guidance") pode ser comparado ao sistema de
navegação noturna dos navios. O capitão do navio
consegue determinar a posição do navio medindo a
distancia a cada farol visível com um sextante, a
posição do navio muda, mas a dos faróis não,
podendo-se assim definir uma rota para o navio. Na
navegação por laser trocamos o sextante por um
scanner rotativo a laser e os faróis são tiras de um
material refletor que se colocam nas paredes da
fábrica.
O laser detecta os refletores e calcula a
posição exata do veiculo 20 vezes por segundo.
Como os refletores estão fixo podemos calcular a
posição absoluta do veículo em tempo real. À
medida que o veiculo se move também se move a
sua posição absoluta. Temos, assim, a capacidade de
saber a posição exata do veículo em tempo real, em
qualquer parte do sistema, com uma tolerância de ±
2mm.
A navegação por laser toma partido de
componentes standard. Como é o caso do scanner a
laser que fornece as coordenadas X e Y usada no
sistema de navegação. O scanner a laser é montado
numa parte alta do AGV. O scanner deve ter boa
visibilidade para os refletores que são colocados nas
paredes do local a percorrer. Os refletores são feitos
de um material com elevada capacidade de reflexão
dos raios laser.
Um mínimo de três refletores têm que ser
detectáveis simultaneamente pelo scanner, mas
devem sempre existir cinco refletores visíveis pelo
scanner. Os refletores podem ser colocados até trinta
metros de distância do AGV.
O scanner usa um emissor de laser de GaAs
por impulsos e monitora a área circundante com a
ajuda de um espelho interno que roda a 10 Rot/s. O
scanner possui um microprocessador que funciona a
133 Mhz.
O sistema de laser é fácil de instalar e
programar. É muito mais versátil e flexível quanto à
definição dos "caminhos" sendo muito mais fácil
fazer atualizações. Não é necessária calibração. Fácil
instalação dos refletores. Tolerância elevada à não
detecção de um refletor devido à falha do sistema ou
por este se encontrar tapado, o que não acontece com
o sistema por ímãs, que no caso do AGV falhar um
ímã, fica descontrolado. As desvantagens deste
sistema são o seu custo que quando comparado com
o "wire guide", o preço do veiculo é cerca de 15 a 30
% mais caro.(1)
Tipos de AGVS
Há vários tipos diferentes de AGVS todos
operando principalmente de acordo com a descrição
precedente. Os tipos podem ser classificados,
mecanicamente, como segue:
- Driverless trains. Este tipo consiste em um veículo
de reboque (que é o AGV) que puxa um ou mais
reboques formando o equivalente a um trem. Foi o
primeiro tipo de AGV a ser introduzido no mercado,
sendo usualmente aplicado em casos onde cargas
pesadas devem ser movidas por grandes distâncias,
em armazéns ou fábricas com pontos de cargas e
descarga intermediários ao longo da rota.
- AGVS pallet trucks. São usados empilhadeiras de
palets guiadas automaticamente para mover cargas
paletizadas ao longo de rotas predeterminadas. Na
aplicação típica os palets são carregados atrás do
veículo por um trabalhador humano que guia a
empilhadeira e usa seus garfos para elevar a carga
ligeiramente. Então o trabalhador dirige a
empilhadeira de palets ao caminho guia, programa
seu destino e o veículo procede automaticamente ao
destino para descarregar. Alguns caminhões são
capazes de manipular dois palets em lugar de um.
Uma introdução mais recente relacionada ao
caminhão de palets é o forklift AGV. Este veículo
pode alcançar um movimento vertical significante de
seus garfos para alcançar cargas em estantes.
- AGVS unit load carriers. Este tipo de AGV é usado
para mover cargas unitárias de uma estação de
trabalho para outra. Estes AGVS são utilizados
freqüentemente
para
serem
carregados
automaticamente e descarregados por meio de
transportadores de rolos, de correia, plataformas de
elevação mecanizadas, ou outros dispositivos.
Variações de AGVS unit load carrier (AGV unidade
portadora de carga) incluem uma AGVs para cargas
leves e montagens de linhas de AGVs. O AGV para
cargas leves é um veículo relativamente pequeno
com uma capacidade de carga clara correspondente
(tipicamente 225 Kg ou menos). Não sendo
necessária as mesmas dimensões e largura como as
de um AGV convencional Os AGVS para cargas
leves são projetados para mover pequenas cargas por
plantas de tamanho limitado se empenhadas em
manufaturas leves. A linha de montagem AGVS é
projetada para levar um subconjunto parcialmente
completo por uma sucessão de estações de trabalho
de montagem para a construção do produto.
A Tecnologia de AGVS está longe da
maturidade, e a indústria está trabalhando para
desenvolver sistemas novos com respeito às
contínuas exigências de novas aplicações. Um
exemplo de um novo desígnio de AGVS que vem se
desenvolvendo envolve a colocação de um
manipulador robótico em um veículo com guia
automatizado de forma a prover um robô móvel da
capacidade de executar tarefas de manipulação
complexas em vários locais em uma planta. Estes
veículos - robôs são vistos como equipamentos úteis
em salas limpas na indústria de semicondutores.
Aplicações
Sistemas
de
veículo
com
guia
automatizados são usados em um número crescente
de aplicações. As aplicações tendem a comparar os
tipos de veículo descritos anteriormente. Podemos
agrupar as aplicações em cinco categorias seguintes:
1. Operação e direção de trens. Estas
aplicações envolvem o movimento de quantidades
grandes de materiais por distâncias relativamente
grandes. Por exemplo, as movimentações dentro de
um armazém grande ou montadoras, ou entre
edifícios em um grande depósito de armazenamento.
Para a movimentação de trens constituídos por 5 a
10 reboques, este sistema se torna um método de
manipulação eficiente.
2. Sistemas de armazenamento e
distribuição. As unidades portadoras de carga e
empilhadeiras de palets são tipicamente usadas
nestas
aplicações.
Estas
operações
de
armazenamento e distribuição envolvem a
movimentação de materiais em unidade de
carregamento (às vezes os itens são movidos
individualmente) de ou para locais específicos. As
aplicações conectam freqüentemente o AGVS com
alguma outra manipulação automatizada ou sistema
de armazenamento, como um sistema de
estocagem/distribuição automatizado (AS/RS) em
um centro de distribuição. O AGV entrega artigos
entrantes ou unidade carregada (contidas em palets)
na doca receptora para o AS/RS que coloca os
artigos em armazenamento e o AR/RS entrega ou
carrega palets individuais ou artigos de
armazenamento e os transfere a veículos para entrega
na doca de remessa. Quando as taxas de cargas
entrantes e as cargas de partida estão em equilíbrio,
este modo de movimentação de cargas permite a
operação de transporte em ambas as direções pelos
veículos AGVS, aumentando assim a eficiência de
manipulação do sistema.
Este
tipo
de
operação
de
estocagem/distribuição também pode ser aplicado
em pequenas fábricas e operações de montagem nas
quais a produção em curso é armazenada em uma
área central de armazenagem, distribuindo para
estações de trabalho individuais para montagem ou
processamento. A montagem eletrônica é um
exemplo destes tipos de aplicações. Componentes
são “soldados” sobre a área de armazenamento e
entregues em bandejas pelos veículos com guia para
as estações de trabalho de montagem na planta.
Sistemas de AGVS de cargas leves são usados nestas
aplicações.
3. Operações de linha de montagem.
Sistemas de AGVS estão sendo usados em um
número crescente de aplicações de linhas de
montagem, baseado em uma tendência que começou
na Europa. Nestas aplicações, a taxa de produção é
relativamente baixa (talvez 4 a 10 minutos por
estação na linha) e há uma variedade de modelos
diferentes feitas na linha de produção. Entre as
estações de trabalho, os componentes são soldados e
colocados no veículo para as operações de
montagem que serão executadas no produto
parcialmente completo na próxima estação. As
estações de trabalho geralmente são organizadas em
configurações
paralelas
para
acrescentar
flexibilidade à linha. Os AGVS unidades portadoras
de cargas leves são usados nestas linhas de
montagem.
4. Sistemas industriais flexíveis. Outra
aplicação crescente de tecnologia de AGVS está em
sistemas industriais flexíveis (FMS). Nesta
aplicação, os veículos com guia são usados como
sistema de controle de manipulação de materiais. Os
veículos entregam o produto de uma área de
plataforma (onde os produtos são colocados em
instalações de palets, normalmente manualmente)
para as estações de trabalho individuais no sistema.
Os veículos também movem produtos entre estações
no sistema industrial. Em uma estação de trabalho, o
produto é transferido da plataforma de veículos na
área de trabalho da estação (normalmente, a mesa de
uma ferramenta elétrica) para processamento. Ao
concluir o processo por aquela estação o veículo
volta a apanhar o produto e transporta este à próxima
área. Sistemas de AGV provêem um sistema versátil
de manipulação de material para complementar a
flexibilidade da operação de FMS.
5. Aplicações diversas. Outras aplicações de
sistemas de veículo com guias automatizados
incluem produtos não manufaturados e de aplicações
de não industriais, como entrega de correio em
edifícios comerciais, hospitais e operações de
manipulação de materiais. Nos hospitais veículos
guias transportam bandejas de refeição, roupas,
suprimentos médicos e hospitalares, e outros
materiais entre os vários departamentos no edifício.
Estas aplicações requerem movimento dos veículos
tipicamente entre pisos diferentes do hospital,
sistemas de hospitalares de AGV têm a capacidade
para chamar e usar elevadores para este propósito.
Devido ao grande avanço tecnológico a que
os meios organizacionais de produção vêem
passando, com o surgimento da robótica industrial,
aprimorou-se a forma de produção seriada com as
células de manufatura, nas quais agrupam - se os
processos em equipamentos automatizados, que são
capazes de executar diversas operações que antes
eram feitas em várias etapas e em equipamentos
diferentes.
Para tanto, focamos nosso estudo para o
seguimento da indústria eletrônica de montagem de
placas de produtos em SMD (Sistema de Montagem
Direta).
No processo de SMD, as células de
produção são dispostas em stand-alone, onde se
dividem nos processos automáticos e manuais.
Pelo sistema automático são realizadas as
montagens dos TOP e BOTTOM já o sistema
manual comporta a montagem dos componentes em
PTH, ou seja, aqueles que não podem ser
construídos com tecnologia SMD por motivos
técnicos aos quais atualmente limitam esse processo.
Tal limitação se dá porque não há como compactar
elementos eletrônicos que dissipam muito calor.
Entretanto existe à necessidade de interligar
esses processos, a fim de otimizar a produção e
compensar a velocidade de produção dos
equipamentos de SMD em relação aos trabalhos
manuais de montagem.
Portanto, o VAT vem de encontro a essa
necessidade transportando o SHELF, (magazine
onde ficam armazenados os componentes
eletrônicos, após saírem dos equipamentos de SMD),
dentro do ciclo produtivo do produto.
Materiais e Métodos
Nosso projeto consiste na elaboração de um
AGV, capaz de identificar e seguir uma trajetória
demarcada por uma faixa de contraste de cores e
etiquetas com códigos de barra fixadas no piso. A
leitura da faixa é feita através de sensores dispostos à
frente do veiculo e ligados a uma unidade lógica.
A unidade é também responsável pelo
acionamento de um sistema de segurança,
monitorado por um sensor de presença e ativado
sempre que houver um obstáculo que impossibilite o
seu deslocamento ou em condições onde se faz
necessário parar o veículo, emitindo um sinal sonoro
para que se possa desobstruir sua passagem. Para
executar as tarefas a ele atribuídas. Provemos-o de
um sistema de leitura de código de barra, ao qual
está associado a um banco de dados com as fichas de
procedimentos que contém a descrição detalhada da
operação que estiver realizando, sempre interagindo
com o ciclo produtivo.
Todo esse aparato está alocado a uma
plataforma IBM-PC, que é responsável pelo
processamento dos dados e da disponibilização das
informações em uma tela de cristal líquido. Sua
construção estrutural é feita em aço e com
acionamento de motores de corrente contínua,
alimentados com bateria de 12 Volts.
Seu sistema de segurança demostrou - se
muito eficaz em evitar acidentes, sem comprometer o
lead-time.
Conclusão
Diante de tantas propostas de AGVs
optamos por um sistema guia totalmente diferente
dos descritos neste trabalho pois estudávamos uma
construção de AGV mais barata mas com a
qualidade dos demais, isto foi conseguido mas com
algumas ressalvas.
Com uma autonomia em média de 12 horas,
transportando cargas de até 50 quilos, em sua
configuração de protótipo, demonstrou ser viável em
regimes de 8 horas/ turno. O projeto VAT teve
méritos na obtenção de resultados, foi conseguido
tudo o que foi declarado mas os resultados poderiam
ter sido muito mais satisfatórios.
Bibliografia
Groover, Mikell P., Automation Production
Systems, Prentice Hall, USA, 383pp, 1980
Norrie, D. H., Guand, P., Intelligent
Manufacturing Planning, Chapman & Hall,
Great Britain, 323-329 pp, 1995
Referência Bibliográfica
(1) Alves, Calos Alberto Fernandes
Coelho, Luís Miguel, Departamento
Engenharia Eletrotécnica – Faculdade
Ci6encias e Tecnologia da Universidade
Coimbra – Outubro de 1998.
e
de
de
de
(2) AGV School, AGV Eletronic WEB
Site, 1999, por AGV Electronics AB
(3) Leon Bing-Shiun Chuang, Industrial
Engineering,
352650,University
of
Washington