UNIJUÍ - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul
DCEENG - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias
Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
MOISÉS HUPPES
DIMENSIONAMENTO DE UM ALIMENTADOR DE CHAPAS PARA
FERRAMENTAS DE ESTAMPO
PROJETO DE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
Prof. Dr. Gil Eduardo Guimarães
Panambi
2014
MOISÉS HUPPES
DIMENSIONAMENTO DE UM ALIMENTADOR DE CHAPAS PARA
FERRAMENTAS DE ESTAMPO
Trabalho de conclusão de curso apresentado à
banca avaliadora do curso de Engenharia
Mecânica
da Universidade Regional do
Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul –
UNIJUÍ, como requisito parcial para a
obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Banca Avaliadora:
1° Avaliador: Prof. Luiz Carlos da Silva Duarte, M. Eng.
2° Avaliador (Orientador): Prof. Gil Eduardo Guimarães, Dr. Eng.
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar a Deus pela vida que me concede a cada dia e pela oportunidade de
realizar mais este importante projeto.
Aos meus queridos pais, Helho e Noeli, a toda minha Família e Amigos que sempre
me apoiaram e incentivaram a continuar lutando para alcançar os meus objetivos. Em especial
a minha esposa Pâmela, muito obrigado!
Aos Professores do Curso de Engenharia Mecânica da Unijuí, que me desafiaram a
cada vez buscar mais conhecimento relacionado ao curso e para a vida.
Ao Professor orientador, Gil Eduardo Guimarães, Dr. Eng., pelas suas contribuições
em relação ao desenvolvimento, andamento e definições da estrutura do trabalho.
A todos Colegas e Amigos do Centro Tecnológico e de Formação Profissional do
CEP, pela amizade, companheirismo e colaboração durante o desenvolvimento deste
trabalho.
E ao Colégio Evangélico Panambi por permitir a utilização dos recursos do
laboratório de projetos para realização de atividades de pesquisa e descrição do trabalho.
MUITO OBRIGADO!
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Simbologia Atuadore Pneumáticos........................................................................ 17
Figura 2 - Cilindro pneumático de simples efeito ou simples ação. ....................................... 18
Figura 3 - Cilindro pneumático de duplo efeito ou dupla ação. ............................................. 19
Figura 4 - Simbologia do número de posições de uma válvula de controle direcional. .......... 20
Figura 5 - Simbologia do número de vias de uma válvula de controle direcional. ................. 20
Figura 6 - Acionamentos de Válvulas Direcionais ................................................................ 21
Figura 7 - Válvula de Controle de Fluxo Variável Bidirecional. ........................................... 22
Figura 8 - Válvula de Controle de Fluxo Variável Unidirecional. ......................................... 22
Figura 9 - Simbologia e Aplicação Sensor de Ausência de Pressão. ...................................... 23
Figura 10 - Circuito com cilindro e válvula direcional. ......................................................... 27
Figura 11 - Conexão Rápida em Corte.................................................................................. 29
Figura 12 - Alimentação de chapas manual. ......................................................................... 33
Figura 13 - Alimentador de chapas acionado por servomotor. .............................................. 33
Figura 14 – Casa da Qualidade ............................................................................................. 35
Figura 15 - Diagrama FAST. ................................................................................................ 37
Figura 16 - Esboço da Concepção 1. .................................................................................... 40
Figura 17 - Esboço da Concepção 2. .................................................................................... 42
Figura 18 - Esboço da Concepção 3. .................................................................................... 42
Figura 19 - Gráfico Simulação Força de Atrito. .................................................................... 53
Figura 20 - Simulação de Movimentos. ................................................................................ 53
Figura 21 - Diagrama Pneumático. ....................................................................................... 56
Figura 22 - Modelagem 3D do Dispositivo. .......................................................................... 58
Figura 23 – Simulação Primeira Concepção. ........................................................................ 59
Figura 24 - Simulação Segunda Concepção. ......................................................................... 59
Figura 25 - Simulação Caixa de Proteção. ............................................................................ 60
Figura 26 - Simulação Prendedor. ........................................................................................ 61
Figura 27 - Ajuste Largura da Chapa. ................................................................................... 62
Figura 28 - Ajuste do Passo de Avanço. ............................................................................... 62
Figura 29 - Ajuste Fino do Passo de Avanço. ....................................................................... 63
Figura 30 - Medida do Passo. ............................................................................................... 63
Figura 31 – Proteção de Policarbonato. ................................................................................ 64
Figura 32 - Vista Superior - Posição Inicial. ......................................................................... 64
Figura 33 - Vista Lateral - Posição Inicial. ........................................................................... 64
Figura 34 - Vista Lateral - Posição Final. ............................................................................. 65
Figura 35 - Vista Superior - Posição Final. ........................................................................... 65
Figura 36 - Vista Isométrica - Posição Final. ........................................................................ 65
Figura 37 – Protótipo do Alimentador. ................................................................................. 66
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Relação entre as roscas de conexão e a vazão das válvulas direcionais. ................ 27
Tabela 2 - Quadro de identificação do problema................................................................... 36
Tabela 3 – Prover Mecanismos............................................................................................. 37
Tabela 4 - Prover Potência. .................................................................................................. 38
Tabela 5 - Prover Estrutura. ................................................................................................. 38
Tabela 6 - Prover Regulagens. .............................................................................................. 39
Tabela 7 - Prover Segurança................................................................................................. 39
Tabela 8 – Princípios de Solução.......................................................................................... 40
Tabela 9 - Avaliação das concepções. .................................................................................. 43
RESUMO
Para conseguir um aumento da produção e diminuir a mão-de-obra no processo de
estampagem contínua de chapas, surgiu à necessidade de construir um dispositivo automático
para alimentar chapas.
Este trabalho aborda, o dimensionamento de cilindros para a fixação e movimentação
de chapas para alimentar uma ferramenta de estampo de chapas além do dimensionamento
estrutural para este dispositivo.
É composto basicamente de cilindros pneumáticos, válvulas pneumáticas, uma
estrutura de alumínio e guia linear. Onde em sincronismo com a prensa, que é quem faz o
trabalho para o estampo na ferramenta, realiza o avanço da chapa em um passo previamente
regulado, de acordo com a necessidade do produto.
O projeto contemplará um estudo teórico do projeto. Inicialmente através da
metodologia de projeto será analisada através de todas as etapas a escolha da melhor
concepção para o projeto.
Definida a concepção a ser utilizada será feita a modelagem da concepção em conjunto
com o processo de dimensionamento mecânico e pneumático do protótipo. Para esta etapa
serão utilizadas ferramentas de dimensionamento com base nos materiais de apoio e através
de software de simulação.
Realizada a modelagem, o dimensionamento e as análises através do software de
simulação foi definido um modelo final de projeto, estando apto para sua fabricação e testes
do protótipo.
PALAVRAS-CHAVE: Processo de estampagem contínua, Dispositivo automático,
Cilindros pneumáticos, Dimensionamento.
7
ABSTRACT
To achieve an increase in production and decrease labor-work in continuous sheet
metal stamping process, the need arose to build an automatic sheet feed device.
This paper discusses the design of cylinders for fixing and moving sheets to feed a tool
stamping plates beyond the structural design for this device.
It consists basically of pneumatic cylinders, pneumatic valves, an aluminum frame and
linear guide. Where in synchronism with the press, that is who is doing the job for the
stamping tool, performs advancement of the plate in a preset step, according to the needs of
the product.
The project will include a theoretical study of the project. Initially through the design
methodology will be analyzed through all the steps to choose the best design for the project.
Set design being used to model the design will be done in conjunction with the process of
mechanical and pneumatic design of the prototype. For this step of sizing tools based on the
support material and through the simulation software will be used.
Performed modeling, design and analysis through simulation software a final project
template has been set and is fit for its manufacture and testing of the prototype.
KEYWORDS: continuous printing process, automatic device, Pneumatic cylinders,
sizing.
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 10
1 REVISÃO ......................................................................................................................... 11
1.1 Metodologia de Projeto .................................................................................................. 11
1.2 Automação Industrial ..................................................................................................... 13
1.3 Dimensionamento de Mecanismos ................................................................................. 29
1.4 Sensores ......................................................................................................................... 30
2 CONCEPÇÃO DO PROJETO .......................................................................................... 33
2.1 Estado da arte das soluções existentes ............................................................................ 33
2.2 Objetivos e metas ........................................................................................................... 34
2.3 Análise das necessidades do processo de alimentar chapas ............................................. 34
3 DIMENSIONAMENTO PNEUMÁTICO ......................................................................... 44
3.1 Cálculo da massa da chapa ............................................................................................. 44
3.2 Atuador Avançador ........................................................................................................ 45
3.3 Atuador Prendedor ......................................................................................................... 48
3.4 Válvulas Direcionais ...................................................................................................... 54
3.5 Diagrama Pneumático .................................................................................................... 55
3.6 Válvulas Auxiliares ........................................................................................................ 55
3.7 Tubulação e conexões .................................................................................................... 57
4 DIMENSIONAMENTO MECÂNICO .............................................................................. 58
4.1 Estrutura ........................................................................................................................ 58
4.2 Caixa de Proteção........................................................................................................... 60
4.3 Prendedor ....................................................................................................................... 60
4.4 Guia Linear .................................................................................................................... 61
4.5 Regulagens..................................................................................................................... 61
4.6 Segurança....................................................................................................................... 63
5 MODELO FINAL ............................................................................................................. 64
CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................... 67
REFERÊNCIAS .................................................................................................................. 68
ANEXO 1 – Cilindros ISO Dupla Ação. .............................................................................. 70
ANEXO 2 – Cilindros Compactos Dupla Ação. ................................................................... 71
ANEXO 3 – Válvulas Direcionais Série VM15. ................................................................... 73
ANEXO 4 – Válvulas Direcionais Série SB0 ....................................................................... 74
9
ANEXO 5 – Válvulas Direcionais Série MML ..................................................................... 75
ANEXO 6 – Sensor Por Ausência de Pressão ...................................................................... 77
ANEXO 7 – Reguladores de Fluxo. ..................................................................................... 78
ANEXO 8 – Guias Lineares. ................................................................................................ 79
ANEXO 9 – Detalhamento do Conjunto............................................................................... 81
10
INTRODUÇÃO
Após a Revolução Industrial as indústrias continuam se modernizando para tornaremse mais produtivas e mais competitivas. Para isso uma palavra está presente em praticamente
todas as indústrias, a Automação.
No âmbito industrial, a automação, com suas novas técnicas de controle de processo,
foi o marco no aumento da produtividade e consequente melhoria na qualidade de vida
atingida com o poder de compra adquirido pela sociedade proveniente das novas riquezas
geradas. Hoje, não se admite mais uma indústria de médio ou grande porte que, no âmbito da
engenharia e da tecnologia, não utilize dos conceitos básicos da automação de processos de
produção industrial (ALBUQUERQUE 2007).
Conforme Fialho (2012), a automação, através de fluidos sob pressão, dividiu-se em
dois grupos bem definidos que, apesar de parecidos com relação aos componentes que
utilizam e, algumas vezes, estão em uma mesma máquina, têm seus limites de operações
basicamente em função das pressões de trabalho e das forças que são capazes de gerar, além
do custo que pode superar os 100% de diferença. O primeiro grupo, e certamente o de mais
antiga aplicação pelo homem, é o fluido hidráulico (fluido líquido sob pressão); já o segundo
é o fluido pneumático (fluido gasoso sob pressão).
11
1 REVISÃO
Este capítulo aborda aspectos teóricos relativos aos temas necessários para o
desenvolvimento deste trabalho, entre eles, alguns aspectos introdutórios de projeto
conceitual, automação, dimensionamento de componentes pneumáticos, dimensionamento de
mecanismos e alguns mecanismos de controle.
1.1 Metodologia de Projeto
Este projeto trata da necessidade de um dispositivo automático para a alimentação de
chapas continuas para ferramentas de estampo que resolva o problema de ter um operador
fazendo um esforço repetitivo e perigoso. Pretende-se desenvolver uma solução para este
problema com a aplicação de uma metodologia de projeto descrita em VALDIERO (1997).
Projeto é um conjunto de etapas (fases) onde são aplicadas ferramentas para melhor
desempenho na obtenção do objetivo final, essas fases são:






Análise das Necessidades;
Projeto Conceitual;
Projeto Detalhado;
Construção do Protótipo;
Testes e Modificações do Protótipo;
Documentação do Projeto.
Nos dias atuais a procura por automação nas indústrias está cada vez maior, pois a
mão-de-obra está cada vez mais escassa, e as empresas estão buscando melhor a ergonomia
nos serviços realizados nelas, melhorando a qualidade de vida de seus colaboradores.
Planejamento do Trabalho
Nesta seção apresenta-se resumidamente o plano de trabalho para o projeto conceitual
de uma solução para o problema de alimentar chapas continuas para ferramentas de estampo
contendo as principais atividades desenvolvidas. Conforme VALDIERO (1997) tais
atividades estão listadas abaixo:
1.
Estudo do problema de alimentar chapas de forma automática;
2.
Identificação dos desejos do cliente (Casa da Qualidade);
3.
Análise do ciclo de vida do produto (QIP);
4.
Análise e concepção de uma estrutura de funções (FAST);
5.
Busca por princípios de soluções e sua organização na matriz morfológica;
6.
Geração de concepções para solução do problema;
7.
Avaliação e escolha da melhor concepção.
Análise das Necessidades
12
Este capítulo tem como objetivo mostrar as ferramentas para colher a real necessidade
do cliente, possibilitando definir quais serão as prioridades do projeto. Veremos as seguintes
ferramentas: Casa da Qualidade e o Quadro de identificação do problema.
Casa da Qualidade
A aplicação da Casa da Qualidade envolve a construção de um conjunto de matrizes.
Nesta matriz, encontramos nas linhas as necessidades dos clientes (requisitos dos clientes) e
nas colunas a resposta desenvolvida pela equipa de trabalho no sentido de satisfazer tais
necessidades. A "Casa da Qualidade" contém ainda outras submatrizes, que permitem aferir o
posicionamento relativamente à concorrência, evidenciando os aspectos a aperfeiçoar para se
obter um produto ou serviço de elevado valor acrescentados.
Portanto ela é utilizada com o objetivo de transformar os requisitos dos clientes em
requisitos dos produtos, características de engenharia. Com isso, têm se as vantagens de
simplificar o projeto e trabalhar nos pontos considerados fundamentais do mesmo.
Quadro de Identificação do Problema
Mostra a identificação do problema montado a partir das necessidades estudadas. Este
quadro apresenta a análise do ciclo de vida do produto e ajuda o projetista na visualização do
ambiente e dos pontos que devem ser trabalhados ao se buscar uma solução. A identificação
do problema apresenta três fases: produção, uso e operação e descarte do produto.
No primeiro momento são determinadas as saídas desejadas (tudo o que é requerido e
desejado no produto) em todas as etapas do ciclo de vida do produto. O passo seguinte é
definir as saídas indesejadas, e em seguida definir um planejamento estratégico com base nos
recursos e meio ambiente (são as características que são disponíveis e influenciam no projeto
como, facilidades, equipamentos entre outros).
Na análise do ciclo de vida do produto, deve-se destacar o processo de fabricação
simples, porém sempre mantendo o produto competitivo e principalmente durável, para
máxima satisfação do consumidor. Ainda na hora do descarte deseja-se que a própria empresa
recolha as peças usadas e encaminhe para lixo ou reciclagem.
Diagrama FAST
Segundo Valdiero (1994), FAST é uma técnica em que se parte de uma função de mais
alto nível, que é a função desejada no produto, até se chegar a funções de nível mais baixo, as
quais tornam possível a função de alto nível. Segundo Back (1983), esta técnica além de
identificar as funções, também as hierarquiza.
Busca por Princípios de Solução
Esta etapa de procura por princípios de solução, mecanismos e elementos de máquinas
que satisfaçam e solucionem as necessidades representadas pelas funções encontradas no
diagrama FAST. Para cada função são sugeridas três ou mais alternativas. A partir desta fase,
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é aconselhável agrupar as funções que possui um relacionamento maior, formando os
chamados módulos, e partindo-se desde já para um projeto modular.
Após a análise dos quadros de busca por princípios de solução de cada função, obtidas
através do diagrama FAST, parte-se para a construção da matriz morfológica na seção
seguinte.
A matriz morfológica é um quadro que resume os princípios de solução citados
anteriormente. Esse quadro é criado visando facilitar a visualização, memorização e
combinação dos princípios para a geração das concepções.
Geração de concepções para solução do problema
A matriz morfológica proporciona avaliar os princípios de solução para cada função,
optando-se pela melhor alternativa para o projeto. Para a geração das concepções são
combinadas as alternativas e posteriormente avaliadas de acordo com a necessidade do
consumidor.
Avaliação das concepções
Na avaliação das concepções, os critérios adotados são os atributos dos consumidores
resumidos em características técnicas desejáveis e com correspondentes pesos relativos.
Para cada uma das concepções, dá-se uma nota em relação às características desejadas.
Ao final, são multiplicadas as notas pelos pesos, resultando no número de pontos. Na última
linha, tem-se a porcentagem de pontos para cada concepção, a qual representa o grau de
satisfação.
1.2 Automação Industrial
A automação industrial utiliza sistemas mecânicos, eletromecânicos e computacionais
para operarem em seus controles de processos. E esse conjunto de sistemas caracteriza uma
automação industrial. Vários são os fatores que levam a uma empresa a automatizarem seus
processos, e os principais são (Souza, 2005):
- redução de custos de pessoal devido à substituição por máquinas;
- aumento da qualidade dos produtos devido à precisão das máquinas;
- redução de produtos em estoque devido ao aumento da produtividade;
- redução de perdas de produtos;
- diminuição no tempo de fabricação.
Automação Pneumática
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O termo pneumática é derivado do grego Pneu mós ou Neuma, que quer dizer:
respiração, sopro, e é definido como o segmento da Física que se ocupa da dinâmica e dos
fenômenos físicos relacionados com os gases e com o vácuo, bem como com os estudos da
conversão da energia pneumática em energia mecânica, através de seus elementos de trabalho
(MECATRÔNICA FÁCIL, 2001).
Parker (2000), ao referir-se a sistemas pneumáticos cita as vantagens e limitações, as
quais podem ser verificadas abaixo.
Vantagens:
- Incremento da produção com investimento relativamente baixo.
- Redução dos custos operacionais. A velocidade nos movimentos pneumáticos e a libertação
do operário (homem) de operações repetitivas possibilitam o aumento do ritmo de trabalho,
elevada produtividade e, portanto, um menor custo operacional.
- Robustez dos componentes pneumáticos. A robustez referente aos controles pneumáticos
torna-os relativamente insensíveis a vibrações e golpes, permitindo que ações mecânicas do
próprio processo sirvam de sinal para as diferentes sequências de operação. São de fácil
manutenção.
- Facilidade de implantação. Pequenas alterações nas máquinas convencionais, combinadas à
disponibilidade de ar comprimido, são os requisitos necessários para implantação dos
controles pneumáticos.
- Resistência a ambientes hostis. Poeira, atmosfera corrosiva, oscilações de temperatura,
umidade, submersão em líquidos, dificilmente prejudicam os componentes pneumáticos,
quando projetados para esse objetivo.
- Simplicidade de manipulação.
Os controles pneumáticos não exigem operários
especializados para sua manipulação.
- Segurança. Como os equipamentos pneumáticos envolvem sempre pressões moderadas,
tornam-se seguros contra acidentes, tanto pessoais, quanto no próprio equipamento, além de
evitarem problemas de explosão.
- Redução do número de acidentes. A fadiga é um dos principais aspectos que favorecem
acidentes; a implantação de controles pneumáticos diminui sua incidência (liberação de
operações repetitivas).
As Limitações:
- O ar comprimido exige uma boa preparação para realizar o trabalho proposto: remoção de
impurezas, eliminação de umidade para evitar corrosão nos equipamentos, engates ou
travamento se maiores desgastes nas partes móveis do sistema.
- Os componentes pneumáticos são comumente projetados e utilizados a uma pressão máxima
de 1723,6 kPa. Logo, as forças envolvidas são pequenas se comparadas a outros sistemas.
Assim, não é conveniente o uso de controles pneumáticos em operação de extrusão de
15
metais. Provavelmente, o seu uso é vantajoso para recolher ou transportar as barras
extrudadas.
- Velocidades muito baixas são difíceis de ser obtidas com o ar comprimido devido às suas
propriedades físicas. Neste caso, utilizam-se sistemas mistos (hidráulicos e pneumáticos).
- O ar é um fluido altamente compressível, portanto, é impossível se obterem paradas
intermediárias de velocidades uniformes. O ar comprimido é um poluidor sonoro quando
são realizadas exaustões para a atmosfera. Esta poluição pode ser evitada através da
utilização de silenciadores nos orifícios de escape.
Para Rollins (2004), o ar comprimido é uma fonte significativa de força industrial que
apresenta muitas vantagens como, por exemplo, segurança, economia, adaptação e fácil
condução, além de poupar mão de obra. Embora o custo total para realizar um determinado
trabalho com o ar comprimido inclua amortização, reparo e manutenção do equipamento,
custo do ar comprimido bem como da mão de obra e de seus encargos, foi demonstrado
muitas vezes que a mão e obra mais os encargos representam mais de 95% do custo total de
operação, ou seja, os custos relacionados com ar comprimido se referem a menos de 5%. Por
isso, o custo do ar comprimido e das ferramentas pneumáticas é, geralmente, insignificante
quando comparado à economia por seu uso.
De acordo com Fialho (2012), a pneumática emprega o ar como fonte de energia para
o acionamento de seus componentes. Esse ar, entretanto, precisa ser colocado em condições
adequadas para sua utilização, das quais podemos citar pressão adequada e qualidade (redução
máxima possível de impurezas e umidade).
O equipamento a ser considerado na geração e preparação de ar inclui:
- Filtro de entrada;
- Compressor de ar;
- Reservatório de ar;
- Secador de ar;
- Filtro de ar, com separador de água;
- Regulador de pressão;
- Lubrificador de ar;
- Pontos de drenagem.
Os autores referidos anteriormente citam ainda que o ar comprimido mal preparado irá
inevitavelmente criar mau-funcionamento e pode se manifestar no sistema como se segue:
- Rápido desgaste das vedações e partículas em movimento nos cilindros e válvulas;
- Válvulas lubrificadas;
- Silenciadores contaminados;
- Corrosão nos canos, válvulas, cilindros e outros componentes;
- Jato de lubrificação dos componentes que se movem.
Para evitar esses problemas é utilizada no sistema uma unidade de condicionamento,
que consiste no seguinte: filtragem, regulagem da pressão e introdução de certa quantidade de
16
óleo para a lubrificação de todas as partes mecânicas dos componentes pneumáticos. A
utilização desta unidade de serviço é indispensável em qualquer tipo de sistema pneumático,
do mais simples ao mais complexo. Ao mesmo tempo em que permite aos componentes
trabalharem em condições favoráveis, prolonga a sua vida útil (PARKER, 2000).
Compressores de ar são máquinas destinadas a aumentar a pressão de certo volume de
ar, que se encontra nas condições atmosféricas até uma determinada pressão, exigidas na
execução dos trabalhos realizados pelo ar comprimido (PARKER, 2000).
Em relação a compressores industriais, Fialho (2012), cita dois princípios conceptivos,
os volumétricos e dinâmicos. Nos compressores de deslocamento positivo, a elevação de
pressão é conseguida com a redução do volume ocupado pelo gás. Na operação dessas
máquinas podem ser identificadas diferentes fases, que compõem o ciclo de funcionamento.
Inicialmente, certa quantidade de gás é admitida no interior de uma câmara de compressão,
que então é cerrada e sofre redução de volume. Finalmente, a câmara é aberta e o gás liberado
para consumo, processo esse que é intermitente. Já nos compressores dinâmicos ou
turbocompressores, estes têm dois órgãos principais, o impelidor e o difusor. O impelidor é
um órgão rotativo provido de pás que transfere ao gás a energia recebida de um acionador.
Essa transferência de energia se faz em parte na forma cinética e em outra parte na forma de
entalpia.
A instalação de uma rede de ar comprimido não apenas em âmbito industrial, mas
para qualquer que seja a utilização, requer determinados cuidados que vão desde a localização
da central geradora (compressores), sistema de arrefecimento (quando necessário),
dimensionamento da rede, sistemas de montagem e fixação da rede, tratamento do ar e
identificação conforme normas (FIALHO, 2012).
Atuadores Pneumáticos
Atuadores pneumáticos são elementos mecânicos que, por meio de movimentos
lineares ou rotativos transformam a energia cinética gerada pelo ar pressurizado e em
expansão em energia mecânica, fenômeno esse que produz trabalho. Os atuadores são
conhecidos normalmente como cilindros pneumáticos, constituídos por um tubo cilíndrico
que em ambas as extremidades contêm uma tampa para fechamento. Na extremidade inferior
existe uma conexão que serve para admissão e exaustão do ar; já na superior existe um furo
central pelo qual se movimenta uma haste, que na extremidade interna ao cilindro, possui um
embolo com vedação. A ação do ar expandindo-se no interior do tubo cilíndrico possibilita o
movimento de expansão dessa haste (MANFRINATO,2009).
O mesmo autor ainda cita que os atuadores pneumáticos são regidos por normas
internacionais, tais como: ISO 6431, ISO 6432 e DIN ISO 6431, porém a representação
simbólica normalizada dos atuadores deve estar de acordo com a norma DIN/ISO 1929 de
agosto de 1979, ainda hoje em vigor, Figura 1.
De acordo com Fialho (2012), o princípio de funcionamento parte do comando de uma
válvula controladora direcional que ao ser acionada, permite que o ar comprimido gerado
através de um compressor seja injetado por uma mangueira, na conexão, elevando-se a
17
pressão na câmara posterior até o ponto de superar a força exercida pela mola, provocando
com isso o movimento de abertura da haste.
Enquanto a válvula permanecer acionada, a pressão do ar continua atuando no interior
do cilindro, mantendo assim a haste distendida, apenas com o desligamento da válvula é que o
fluxo de ar para o interior do atuador é cessado, servindo agora a mesma conexão para a
exaustão do ar, em função da força restauradora da mola.
Devido aspectos funcionais, são desaconselhados para aplicações que requeiram curso
superior a 100 mm (FIALHO, 2012). Segue Figura 2.
Figura 1- Simbologia Atuadore Pneumáticos.
Fonte: Parker, 2000
Em um cilindro pneumático que trabalha em ambos os sentidos de movimento (avanço
e recuo) com o auxilio do ar comprimido, define-se este como cilindro de dupla ação, o mais
utilizado na indústria. Sua característica principal, pela definição, é o fato de se poder utilizar
tanto o avanço quanto o retorno para desenvolvimento de trabalho. Existe, porém, uma
diferença quanto ao esforço desenvolvido: as áreas efetivas de atuação da pressão são
distintas; a área da câmara traseira é maior que a da câmara dianteira, pois nesta deve-se
18
considerar o diâmetro da haste, que impede a ação do ar sobre toda a área. O ar comprimido é
admitido e liberado alternadamente por dois orifícios presentes nos cabeçotes, sendo um no
traseiro e outro no dianteiro que, atuando sobre o êmbolo, provocam os movimentos de
avanço e retorno. Quando uma câmara está admitindo ar, a outra está em comunicação com a
atmosfera. Tal operação é mantida até o momento de inversão da válvula de comando;
alternando a entrada do ar nas câmaras, o pistão se desloca em sentido inverso (PARKER,
2000).
Figura 2 - Cilindro pneumático de simples efeito ou simples ação.
Fonte: Parker, 2000.
Fialho (2012), explica que o princípio de funcionamento do cilindro pneumático de
duplo efeito ocorre, geralmente, em estado não acionado, o atuador que é comandado por uma
válvula controladora direcional é mantido recuado em função do ar que mantém preenchido
sua câmara frontal. Ao ser comutada uma válvula controladora, é permitido que o ar
comprimido gerado através de um compressor seja injetado por meio de uma mangueira, na
conexão, elevando-se a pressão na câmara traseira até o ponto de superar as forças de atrito e
a que estiver se opondo ao movimento da haste, provocando com isso a sua abertura.
Enquanto a válvula permanecer acionada, a pressão do ar continua atuando no interior do
cilindro pneumático, mantendo a haste distendida. Somente quando a válvula é comutada
novamente para o sentido oposto é que o fluxo de ar para o interior da câmara traseira do
atuador é cessado, servindo agora a mesma conexão para a exaustão do ar, enquanto o ar
provindo da linha passa ser insuflado pela conexão à câmara frontal, provocando com isso o
retorno da haste. A Figura 3 demonstra um cilindro pneumático de duplo efeito ou dupla ação.
19
Figura 3 - Cilindro pneumático de duplo efeito ou dupla ação.
Fonte: Parker, 2000.
Válvulas Direcionais
As válvulas de controle direcional têm como principais funções a de permitir ou não a
passagem de um determinado fluxo de ar comprimido, influenciando a sua direção fechando
ou mudando as passagens internas de suas conexões.
Para se ter um bom conhecimento de uma válvula direcional, deve-se levar em conta
os dados abaixo:
- Posição Inicial;
- Número de Posições;
- Número de Vias;
- Tipo de Acionamento (Comando);
- Tipo de Retorno;
- Vazão.
Em relação ao numero de posições, Parker (2005), cita que é a quantidade de
manobras distintas que uma válvula direcional pode executar ou permanecer sob a ação de seu
acionamento. Nestas condições, a torneira, que é uma válvula, tem duas posições: ora permite
passagem de água, ora não permite. As válvulas direcionais são sempre representadas por um
retângulo, que é dividido em quadrados. O número de quadrados representados na simbologia
é igual ao número de posições da válvula, representando a quantidade de movimentos que
executa através de acionamentos, conforme mostra a Figura 4.
20
Figura 4 - Simbologia do número de posições de uma válvula de controle direcional.
Fonte: Parker, 2005.
O número de vias refere-se ao número de conexões de trabalho que a válvula possui. É
considerada como vias a conexão de entrada de pressão, conexões de utilização e as de
escape. Uma regra prática para a determinação do número de vias consiste em separar um dos
quadrados (posição) e verificar quantas vezes o(s) símbolo(s) interno(s) toca(m) os lados do
quadro, obtendo-se, assim, o número de orifícios e em correspondência o número de vias
(Parker, 2005). Para melhor compreensão do número de vias de uma válvula de controle
direcional pode-se observar os símbolos na Figura 5.
Figura 5 - Simbologia do número de vias de uma válvula de controle direcional.
Fonte: Adaptado Parker, 2005.
As válvulas são construídas de inúmeras formas e tamanho e podem ser comandadas
pneumaticamente, eletricamente, mecanicamente e manualmente conforme Figura 6.
21
Figura 6 - Acionamentos de Válvulas Direcionais
Fonte: Parker, 2000
Válvula de controle de fluxo
As válvulas controladoras de fluxo têm a função de controlar o fluxo de ar que
alimenta um determinado componente do circuito, nesse caso, em geral, os atuadores
pneumáticos. O fluxo é o volume de fluido que flui num intervalo de tubulação em uma
unidade de tempo. Normalmente dado em litros por segundo, centímetros cúbicos por
segundo ou metros cúbicos por segundo. Controlar, portanto, o volume de fluido na unidade
de tempo significa controlar a velocidade, em um atuador pneumático a velocidade é
diretamente proporcional ao fluxo, então quanto maior for a velocidade, maior será o fluxo de
ar comprimido agindo sobre o atuador (FIALHO, 2012).
Em alguns casos, faz-se necessário a diminuição da quantidade de ar que passa por
meio de uma tubulação, o que é muito utilizado quando se precisa regular a velocidade de um
cilindro ou formar condições de temporização pneumática. Quando se necessita influenciar o
fluxo de ar comprimido, este tipo de válvula é a solução ideal, podendo ser fixa ou variável,
unidirecional ou bidirecional (PARKER, 2000).
Ainda segundo Fialho (2012), as válvulas controladoras de fluxo fixa bidirecional se
denominam assim porque não admitem ajustes, sendo a restrição permanente de mesmo
diâmetro. Conforme se pode perceber na Figura 6 (Válvula de Controle de Fluxo Variável
Bidirecional), o fluxo é controlado igualmente em ambas as direções. Por outro lado, na
válvula de controle de fluxo variável bidirecional é feito uma regulagem através de um
parafuso cônico que pode aproximar-se ou afastar-se de um assento. Com essa regulagem é
possível permitir a passagem de maior ou menor quantidade de fluido através da válvula e,
consequentemente, o ajuste de velocidade do atuador. A Figura 7, apresenta a válvula de
controle de fluxo em corte.
22
Figura 7 - Válvula de Controle de Fluxo Variável Bidirecional.
Fonte: Parker, 2000.
Já a válvula de controle de fluxo variável unidirecional, que pode ser visto na Figura 8,
apresenta um dispositivo de controle de fluxo e uma válvula de retenção integrada ao mesmo
corpo.
Figura 8 - Válvula de Controle de Fluxo Variável Unidirecional.
Fonte: Parker, 2000.
23
Sensor de captação de queda de pressão
Estes sensores são utilizados quando a utilização de sensores com acionamento
mecânico se tornam inviáveis ou difíceis de serem adaptados. Os sensores de queda de
pressão enviam um sinal de pressão quando cai a pressão na câmara do cilindro em que estão
conectados (PARKER 2005). Na Figura 9 quando o cilindro termina de avançar (fim do
curso) a pressão na câmara da direita cai e o sensor envia um sinal de pressão que trocará a
posição da válvula direcional e fará o cilindro retornar.
Figura 9 - Simbologia e Aplicação Sensor de Ausência de Pressão.
Fonte: Parker, 2000.
Dimensionamento dos Componentes Pneumáticos
Para que os projetos de sistemas pneumáticos apresentem o desempenho esperado
inicialmente é de fundamental importância que aconteça um correto dimensionamento de seus
componentes, sendo assim, o correto dimensionamento do conjunto atuador pneumático e
válvula deve receber uma grande atenção, pois além de poder proporcionar um perfeito
funcionamento da instalação em termos de trabalhos a serem executados, podem gerar uma
economia na utilização de ar comprimido, e consequentemente de dinheiro (DE NEGRI,
2001).
Existem no mercado três tipos básicos de atuadores pneumáticos, que são classificados
de acordo com a natureza do movimento mecânico que são capazes de desenvolver. Porém,
um deles apresenta uma maior aplicabilidade em termos de uso industrial, são os atuadores
lineares ou cilindros pneumáticos.
As especificações dos cilindros, tais como o diâmetro da camisa e o diâmetro da haste,
bem como também algumas variáveis relacionadas às válvulas direcionais serão buscadas
aqui com embasamento que envolve não só alguns estudos presentes na literatura, mas
também questões práticas.
Para se selecionar um cilindro pneumático, deve-se partir de algumas informações de
projeto, tais como: a força que ele irá desenvolver a pressão de trabalho fornecida a ele pelo
sistema, seu curso máximo, o tempo que ele tem para executar o trabalho, etc.
24
O ar comprimido assim como todo fluido é uma substância que se deforma
continuamente quando sob a aplicação de uma tensão de cisalhamento (DE NEGRI, 2001).
Pode-se dizer que a força de cisalhamento é a componente da força que age sobre a superfície
e, dividida pela área da superfície, dá origem à tensão de cisalhamento média sobre a área.
No caso, quando o fluido utilizado é o ar comprimido, a tensão de cisalhamento pode
ser definida como sendo a pressão, e continua sendo a força que age sobre uma superfície,
dividida pela área desta mesma superfície.
Conforme BOLLMANN (1997) citado por ANDRIGUETTO (2002), tem-se uma força
pneumática pela equação 1:
Fp  P1* A1  P2 * A2
(1)
Onde:
Fp = Força Pneumática (kgf);
P1 = Pressão absoluta no lado do êmbolo do cilindro (bar);
P2 = Pressão absoluta no lado da haste do cilindro (bar);
A1 = Área do êmbolo do cilindro (cm²);
A2 = Área do êmbolo do cilindro descontada da área de sua haste (cm²).
A força real a ser exercida por um cilindro pneumático pode ser determinada pela
equação 2, conforme BOLLMANN (1997), citado por ANDRIGUETTO(2002):
FL = Fp – Fa – Fatr
(2)
Onde:
FL = Força real do cilindro pneumático (N);
Fp = Força pneumática (N);
Fa = Força necessária para acelerar a carga (N);
Fatr = Força causada por atritos externos (N).
A Fa pode ser calculada através da equação 3:
Fa = m*a
(3)
Onde:
Fa = Força de avanço (N);
m = massa da carga a ser movimentada (kg);
a = aceleração do cilindro pneumático (m/s²);
O Fatr pode ser calculado através da equação 4:
Fatr = m*g * μ
Onde:
Fatr = Força de atrito (N);
m = massa a ser movida (kg);
g = Força gravitacional (m/s²);
(4)
25
μ = coeficiente de atrito (adimensional).
Utilizando a equação 5 sabe-se que a força necessária para movimentar o sistema é:
Favanço = m * a * fs
(5)
Onde:
Favanço = Força de Avanço (N);
a = Aceleração do sistema (m/s²);
fs = fator de segurança.
Para calcular a flambagem da haste será utilizada a equação 6:
Ff 
 2* * E * I
(L * F ) 2 * S
(6)
Onde:
Ff = Carga de flambagem (N);
E = Módulo de Elasticidade (N/mm²);
F = Fator de curso, obtido conforme montagem do cilindro (fabricante);
S = Fator de segurança;
L = Curso do cilindro (mm);
I = Momento de Inércia (mm4).
E conforme equação 7:
I
d 4 *
64
(7)
Onde:
d = Diâmetro da haste do cilindro (mm).
O consumo de ar nos cilindros pneumáticos pode ser calculado através da equação 8.
Qn  Vc * Rc * n
(8)
Onde:
Qn = consumo de ar no cilindro pneumático (l/min);
Vc = Volume de ar necessário para preencher o cilindro pneumático por ciclo (l);
Rc = Razão de compressão;
n = número de ciclos por minuto.
A Rc pode ser calcula pela equação 9:
Rc 
P  1,01325
1,01325
(9)
26
Onde:
P = Pressão de trabalho (bar).
Vc pode ser calculada através da equação 10:
=
× ( 1 + 2) +
(10)
Onde:
S = curso do cilindro (cm);
A1 = Área do êmbolo do cilindro pneumático (cm²);
A2 = Área do êmbolo descontando a área da haste do cilindro (cm²);
Vm = Volume dos tubos que conectam o cilindro à válvula direcional que o aciona (cm).
Para o cálculo da potência no sistema, têm-se como dados a pressão de trabalho e a
vazão necessária, conforme mostra a equação 11:
P
p * Qn
600
(11)
Onde:
p = Pressão manométrica do sistema (bar);
Qn = consumo de ar no cilindro pneumático (l/min).
A seleção da válvula direcional ocorre, em primeiro lugar, de acordo com a sua
configuração definida no esquema do circuito pneumático. Pode-se imaginar que o tamanho
da válvula direcional será selecionado de modo que as suas conexões de trabalho tenham o
mesmo tamanho (mesma rosca) das conexões de entrada/saída do cilindro pneumático. Esta
técnica não permite escolher o tamanho correto da válvula, reduzindo a eficiência do sistema
pneumático, exemplo de aplicação da válvula direcional Figura 10.
27
Figura 10 - Circuito com cilindro e válvula direcional.
Fonte: DE NEGRI, 2001.
Na seleção de válvulas direcionais pneumáticas, deve-se prestar atenção às seguintes
características principais:
- Pressão de trabalho;
- Pressão mínima para pilotagem da válvula;
- Vazão mínima necessária à válvula;
- Roscas das conexões da válvula;
Através da Tabela 1, HASEBRINK (1995) relaciona o tamanho das conexões da
válvula direcional com a sua vazão nominal, a partir de uma comparação feita entre válvulas
de diversos fabricantes.
Tabela 1 - Relação entre as roscas de conexão e a vazão das válvulas direcionais.
Roscas das Conexões¹¹
M5
G 1/8
G¼
G½
G¾
Vazão (1/min)
60 a 180
150 a 400
600 a 1200
2000 a 4000
4500 a 8500
Fonte: (HASEBRINK, 1995).
A determinação do tamanho correto da válvula direcional envolve a cuidadosa
consideração das pressões e das vazões necessárias para que a carga receba a força e
velocidade de acionamento adequada.
Provavelmente, a consideração mais importantes para o dimensionamento de válvulas
direcionais envolve o coeficiente de vazão Cv, às vezes também conhecido como condutância
28
pneumática, cuja definição é análoga à condutância elétrica¹². O Cv é uma medida da
capacidade de permitir vazão.
A resistência à vazão em sistemas pneumáticos é vista como a queda de pressão entre
dois pontos, mas não há nenhuma unidade para expressar a resistência pneumática à vazão
diretamente, como a resistência elétrica, expressa em ohms (W). Ao invés disso, usa-se o Cv
para comparar o desempenho de uma válvula em relação à outra sob condições de operação
idênticas. Mantendo-se as pressões de saída e entrada constantes, a vazão de ar que pode
passar por um orifício (abertura da válvula) é diretamente proporcional ao Cv.
A determinação do Cv de um componente é feita através da medição das pressões de
entrada e saída e a vazão de ar através do componente mantido sob condições controladas.
Outra forma de expressar a capacidade de vazão de uma válvula direcional pneumática
é através de sua vazão nominal Qn, definida como a vazão de ar em litros por minuto que flui
através da válvula quando esta é submetida a uma queda de pressão de 1 bar, estando o ar na
temperatura de 20°C e sendo as pressões na entrada e saída da válvula de 7 e 6 bar
respectivamente (BOLLMANN,1997).
A vazão nominal de uma válvula (Qn) pode ser transformada para Cv através da
equação 12:
Qn = Cv * 984
(12)
Onde:
Qn = Vazão nominal da válvula (l/min);
Cv = Coeficiente de vazão da válvula direcional (catálogo fabricante);
Deve-se lembrar de que os cálculos feitos por meio das fórmulas apresentadas acima
são teóricos. Os valores encontrados devem se adequar aos valores comerciais presentes nas
tabelas de seleção dos principais fabricantes. Deve-se sempre escolher um valor
imediatamente superior ao encontrado por meio dos cálculos.
Conexões e Tubos
As conexões têm o papel de realizar a união dos tubos de ar comprimido com as
válvulas e atuadores pneumáticos.
Segundo ANDRIGUETTO (2002), a escolha das conexões que serão usadas em um
sistema de automação pneumática é muito importante, pois dele dependem:
- O tempo necessário para montagem;
- O espaço ocupado pelas conexões;
- As perdas de pressão nas tubulações e conexões;
- A possibilidade de vazamentos nas conexões;
- Compatibilidade com os fluidos usados;
- Vida útil;
- Possibilidade de rápida remoção sem danos dos tubos, nas operações de manutenção.
29
Conexões Rápidas
O uso de conexões rápidas permite a rápida ligação de tubos plásticos cortados em
esquadro através de sua simples introdução na conexão. Um anel de retenção de aço fixa o
tubo, sem danificar a sua superfície o tubo pode ser facilmente solto através do
pressionamento do anel de liberação (ANDRIGUETTO, 2002), conforme Figura 11.
Figura 11 - Conexão Rápida em Corte.
Fone: Catálogo Metalwork pneumatic.
Tubos Plásticos
Segundo ANDRIGUETTO (2002), os tubos usados com conexões rápidas necessitam
tolerâncias no seu diâmetro externo segundo a norma CETOP RP 54 R. Usualmente, usam-se
tubos em nylon (poliamida) ou poliuretano.
Os tubos em poliamida são recomendados para uso com pressões e temperaturas mais
elevadas.
Os tubos em poliuretano possuem alta flexibilidade, podendo ser usados em pequenos
raios de curvatura para instalações compactas.
1.3 Dimensionamento de Mecanismos
Segundo Pinto (2002), as peças são as partes da estrutura que recebem os esforços em
seu corpo e os transmitem a outras peças da estrutura ou ao meio ambiente.
30
Na resistência dos materiais, as peças são estudadas de maneira a atender os seguintes
aspectos:
- Dimensionamento - Determinar os esforços que atuarão em uma peça a ser fabricada e fixar
as dimensões de sua seção transversal, a fim de que o material da qual seja feita resista.
- Verificação - Dada uma peça já existente, feita de um dado material, verificar a que esforços
ela está submetida e se ela pode suportar ou resistir. Para tanto, são necessários três itens
importantes:
1) Segurança à ruptura - é a preocupação básica dos engenheiros, em qualquer modalidade
busca preservar a integridade física da construção, máquina ou equipamento que ele
projetou ou executou.
2) Deformabilidade - como os materiais reais são deformáveis, é necessário controlar essas
deformações. Como será visto à frente, com mais detalhes, grandes deformações podem
levar uma peça estrutural, por exemplo, à ruína.
3) Economia - peças superdimensionadas podem evitar a ruptura ou deformabilidade
excessiva, porém tornar-se-ão pouco econômicas. Deve-se procurar, assim, otimizar o seu
dimensionamento de maneira a garantir o bom dimensionamento e baixo custo.
1.4 Sensores
Sensores são dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza
física podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza.
Sistemas computacionais industriais podem usar sensores para verificar se peças estão
presentes ou ausentes, para medir peças, e mesmo para verificar se o produto está vazio ou
cheio. O uso de sensores para monitorar processos é vital para o sucesso de uma manufatura e
para assegurar a segurança do equipamento e do operador. De fato, os sensores executam
tarefas simples mais eficientemente e mais precisamente do que pessoas.
Os sensores são muito mais rápidos e cometem poucos erros. Existem vários tipos e
modelos de sensores que variam conforme o objeto alvo de sensoriamento. Os mais comuns
são: Sensores Indutivos, Sensores Capacitivos, Sensores Magnéticos e Sensores
Barométricos.
Sensores Magnéticos:
Estes sensores apresentam uma construção relativamente simples, onde duas lâminas
de contato elétrico ficam alojadas no interior de uma ampola contendo gás inerte. Estes
sensores detectam apenas a presença de materiais metálicos e magnéticos. Estes dispositivos
são montados diretamente sobre o lado externo dos cilindros pneumáticos, nos quais os
êmbolos devem conter uma cinta magnética que ao passar pela região do cilindro onde está
31
posicionado o sensor, gere um campo capaz de fechar o contato entre as duas lâminas,
produzindo assim um sinal de corrente elétrica de saída.
Sensores Óticos:
Os sensores óticos detectam a aproximação de qualquer tipo de objeto, desde que este
não seja transparente, apresentando a vantagem da possibilidade de detectar presença de
objetos desde a pequenas distâncias, até outras consideradas grandes (PARKER
AUTOMATION, 2001). Os sensores óticos são construídos por dois elementos distintos,
sendo um emissor de luz, normalmente luz infravermelha, e o outro receptor.
As diferenças no tipo construtivo se baseiam na localização dos elementos emissor e
receptor e também da superfície refletora, podendo ser:
Sensor ótico de barreira, que se caracteriza quando um objeto se coloca entre os dois
elementos do sensor, interrompendo a passagem de luz entre eles, o que provoca a emissão de
um sinal de saída (PARKER AUTOMATION, 2001).
No sensor reflexivo, o emissor e o receptor de luz são montados em um único corpo, o
que reduz espaço e facilita sua montagem entre as partes móveis dos equipamentos. Porém
existe o inconveniente de a distância de detecção ser menor, visto que a luz transmitida pelo
emissor irá refletir no material a ser detectado para então penetrar no receptor, o qual emitirá
o sinal elétrico de saída (PARKER AUTOMATION, 2001).
Uma terceira montagem é conhecida como sensor retro reflexivo, assim como no
sensor reflexivo, o emissor e o receptor são montados num mesmo corpo, porém aqui a
reflexão é realizada por uma superfície refletora que não é a peça. Sua aplicação é indicada
quando o objeto a ser detectado apresenta características de reflexão ruins (BELAN, 2005).
Sensores Indutivos:
Os sensores indutivos são capazes apenas de detectar a presença de materiais
metálicos, condutores de eletricidade.
Neste tipo de sensor, um solenoide gera um campo eletromagnético oscilatório no
espaço externo ao cabeçote do sensor. Quando o corpo a ser detectado quando entra neste
campo produz correntes que absorvem energia do oscilador, o que provoca o acionando um
circuito disparador, emitindo assim um sinal para o elemento de comando do sistema
(BELAN, 2005).
Sensor Barométrico:
De forma resumida, nos sensores barométricos, o sinal é produzido pela pressão
exercida sobre uma membrana, a qual atua sobre um módulo de comutação pneumático,
elétrico ou eletrônico.
Sensor Limite ou Fim-de-curso:
A chave limite ou fim de curso é acionada automaticamente pelo movimento de
alguma maquina ou dispositivo. Ela deve ter uma resposta instantânea e ser confiável. Em
32
geral, a operação de uma chave limite começa quando uma peça em movimento bate em uma
alavanca que atua a chave. Quando acionada, a chave muda os seus contatos. O tamanho,
força de operação, percurso e modo de montagem são os parâmetros críticos na instalação da
chave fim de curso. As especificações elétricas da chave devem estar de conformidade com a
carga a ser acionada. As chaves fim de curso podem ser usadas como piloto em circuitos de
controle de motores, como proteção ou emergência para evitar o funcionamento impróprio de
maquinas. As chaves limites podem ter contatos momentâneos ou retentivos (RIBEIRO,
2001).
33
2 CONCEPÇÃO DO PROJETO
2.1 Estado da arte das soluções existentes
Atualmente o processo alimentar chapas é feito em grande parte, usando avançadores
manuais, ou dispositivos acionados por servomotores que são mais caros. Exemplos Figura 12
e Figura 13.
Figura 12 - Alimentação de chapas manual.
Fonte: TLA Prensas.
Figura 13 - Alimentador de chapas acionado por servomotor.
Fonte: Setrema.
34
2.2 Objetivos e metas
O Dispositivo deverá atender a algumas variações de espessura e largura da chapa,
podendo também variar o passo, o dispositivo deverá ser portátil podendo ser utilizado em
várias ferramentas. O dispositivo deverá atender a uma chapa de no mínico 1,5mm e no
máximo 2,75mm e de 80mm a 300mm de largura, o passo mínimo de 80mm e máximo de
300mm com uma produtividade de no mínimo 40 ciclos/minuto e a um custo de R$8000,00 a
R$12000,00.
2.3 Análise das necessidades do processo de alimentar chapas
Neste capítulo mostra a real necessidade das indústria no processo de alimentar chapas
em ferramentas de estampo.
A - Casa da Qualidade para dispositivo automático para a alimentação de chapas
continuas para ferramentas de estampo
Com a casa da qualidade, é possível identificar os pontos principais a serem melhorados
em relação a produtos já existentes e identificar também as necessidades principais dos
clientes.
Conforme citado no item 2.1.3, foi construída a Casa da Qualidade (Figura 14).
O QIP, ajudou a identificar as necessidades do cliente para a utilização desse
dispositivo, chegando ao ponto de poder também verificar, todo o ciclo de vida do produto
desde o seu projeto até a manutenção e descarte.
C - Diagrama FAST dispositivo automático para a alimentação de chapas
Conforme descrito no item 2.1.5 a Figura 15 mostra o diagrama FAST aplicado para o
problema de alimentar chapas.
35
Figura 14 – Casa da Qualidade
Fonte: Autor.
B - Quadro de Identificação do Problema de avançar chapas
Conforme descrito no item 2.1.4 segue na Tabela 2 o QIP.
36
Tabela 2 - Quadro de identificação do problema.
Fases do
Ciclo de Vida
do Produto
Projeto
e Produção
Distribuição
Uso e/ou
Operação
DESCRITORES DE ENTRADAS
Planejamento
estratégico
- Treinamento de
software de
desenho e
simulação (Solid
Works).
-Será transportado
após o término da
produção
(Equipamento sob
Encomenda)
- Ter Segurança.
- Fácil operação.
- Custo benefício
Descarte
- Padronização de
componentes.
Meio ambiente e
recursos
DESCRITORES DE SAÍDAS
Desejadas
Indesejadas
- Acadêmico Eng.
Mecânica
- Elementos
Padronizados
- Software Solid
Works
- Fácil Montagem
-Dificuldade na
montagem
- Custo acessível
-Alto custo
- Estocado em
Embalagens de
Madeira
-Equipamento
Resistente ao
transporte
-Equipamento frágil
- Transporte
terceirizado
(Transportadora)
-Fácil manuseio
-Muito peso
- Será utilizado em
Industrias
-Fácil Manuseio e
regulagem do
equipamento
- O operador será de
baixo grau de
Instrução
- O equipamento será
inutilizado quando for
danificado sua parte
estrutural
-Difícil fabricação
-Embalagem
Compacta
- Segurança
-Durabilidade
- Componentes
padrão
Podem ser utilizados
em outros
equipamentos.
-Difícil regulagem
-Equipamento
propicio a acidentes.
-Muita manutenção
-Componentes que
não podem ser
reaproveitados
Fonte: Autor.
Através desse Diagrama, é possível verificar, as funções que o dispositivo deverá
executar ou que é necessária para o seu funcionamento, desde um nível mais alto, até a função
de nível específica.
D - Busca por princípios de solução para dispositivo automático para a alimentação de
chapas
A Tabela 3, Tabela 4, Tabela 5, Tabela 6 e Tabela 7 mostram a Busca de princípios de
solução conforme citado no item 2.1.6 para alimentação de chapas.
37
Figura 15 - Diagrama FAST.
Fonte: Autor.
Tabela 3 – Prover Mecanismos.
A – Prover Mecanismos
Ideograma
Descrição do princípio de solução
A-1
Guias lineares. Padrões com fácil aquisição e custo médio. Alta precisão
no alinhamento para a movimentação linear e Alta durabilidade. Fácil
Instalação
A-2
Fuso de Esferas. Facilmente achado no mercado, alta precisão e
durabilidade. Necessita de acionamento rotativo, alto custo.
38
A-3
Mancal fabricado. Feito a partir de chapas e tubos, que são soldados e
usinados para acomodar rolamentos padrões. A desvantagem é que não
terá padrões comerciais e poderão ocorrer desalinhamentos e problemas
devido a solda.
Fonte: Autor.
Tabela 4 - Prover Potência.
B – Prover Potência
Ideograma
B-1
Descrição do princípio de solução
Força de trabalho do homem. Disponível na indústria. Tem como aspectos
negativos a limitação de potência, o desgaste físico e a falta de ergonomia
.
B-2
Potência Pneumática. O uso de ar comprimido possibilita vários
movimentos e com custo não tão elevado, levando em consideração que
praticamente todas as indústrias já possuem rede de ar comprimido. Força
limitada e poluição sonora.
B-3
Motor de passo. Tem como vantagem o baixo nível de poluição e a
facilidade de ajustes de velocidade e curso. Alto custo e necessário uso de
controles mais precisos.
Fonte: Autor.
Tabela 5 - Prover Estrutura.
C – Prover Estrutura
Ideograma
Descrição do princípio de solução
C-1
Cantoneira. Perfil metálico composto por duas abas, simétricas ou não,
formando um ângulo de 90 graus. É um material muito utilizado em
construções metálicas pela elevada resistência à flexão. Maior restrição
nas construções dependendo da geometria necessária
39
C-2
Tubo mecânico. Perfil metálico fechado, mesmo usando uma parede fina
pode-se conseguir um momento de inércia de área muito bom. Construção
mais fácil e aparência final melhor que as cantoneiras. Maior restrição nas
construções dependendo da geometria necessária
C-3
Alumínio. Possível usinar em várias geometrias, baixo peso, alta
resistência. Custo médio.
Fonte: Autor.
Tabela 6 - Prover Regulagens.
D – Prover Regulagens
Ideograma
Descrição do princípio de solução
Sem regulagem
Sem regulagem. Depende apenas da percepção do operador da quantidade
de lã que a máquina suporta.
D-1
D-2
Regulagem manual. Através de um parafusos e furos limitadores com
possibilidade de fixar em diversas posições.
Fonte: Autor.
Tabela 7 - Prover Segurança.
E – Prover segurança
Ideograma
Descrição do princípio de solução
E-1
Sensores. Elementos eletrônicos que podem detectar movimentos ou
posições. Necessitam de uma lógica para que a função seja realizada
(CLP, relés, programas).
40
E-2
Adesivos de advertência. Utilizados para informar o operador sobre os
perigos, funções e procedimentos de operação.
E-3
Telas de proteção. Usadas para evitar de maneira definitiva o acesso de
objetos ou partes do corpo em determinados locais.
Fonte: Autor.
Tabela 8 – Princípios de Solução.
Fonte: Autor.
Geração e descrição das concepções
Descrição da concepção 1:
A concepção 1 (Figura 16) do dispositivo automático para a alimentação de chapas
continuas para ferramentas de estampo é composto por uma guia linear (1), potência através
de cilindros pneumáticos (2), estrutura de alumínio usinado (3), regulagem do sistema através
de parafusos (4), adesivos de advertência (5), e telas de proteção (6).
Figura 16 - Esboço da Concepção 1.
41
Fonte: Autor.
Descrição da concepção 2:
A concepção 2 (Figura 17) do dispositivo automático para a alimentação de
chapas continuas para ferramentas de estampo é composto por uma guia linear (1), potência
através de cilindros pneumáticos (2), estrutura de tubo quadrado de aço (3), sem regulagem,
adesivos de advertência (5), e telas de proteção (4).
Descrição da concepção 3:
A concepção 3 (Figura 18) do dispositivo automático para a alimentação de
chapas continuas para ferramentas de estampo s é composto por duas guias redondas com
buchas (1), potência através de cilindros pneumáticos (2), estrutura de tubo quadrado de aço
(3), sem regulagem, adesivos de advertência (4).
42
Figura 17 - Esboço da Concepção 2.
Fonte: Autor.
Figura 18 - Esboço da Concepção 3.
Fonte: Autor.
43
Avaliação das concepções
Tabela 9 - Avaliação das concepções.
CARACTERÍSTICAS DESEJADAS
Peso
Concepção 1
Concepção 2
Concepção 3
Custo de Aquisição
9,1
5
7
8
Custo de Operação
13,6
7
7
7
Massa
4,5
6
7
7
Tempo Médio entre Falhas
13,6
9
8
6
Nº de Peças Moveis Desprotegidas
9,1
10
10
6
Potência Requerida
13,6
7
7
7
Bitolas Compatíveis
9,1
10
3
3
Larguras Compatíveis
13,6
10
3
3
Passos Possíveis
13,6
10
3
3
74
55
50
74%
55%
50%
TOTAL DE PONTOS
GRAU DE SATISFAÇÃO
Fonte: Autor.
Após todas as etapas da metodologia de projeto concluídas, pode-se notar que ocorreu
um grande progresso no projeto, atendendo o principal desejo do cliente, que era resolver o
problema de ter um operador fazendo um esforço repetitivo e perigoso com um custo não
muito alto e com possibilidades de utilizar diferentes dimensões de matéria-prima.
Através da avaliação das concepções, temos a concepção 1 como a com maior grau de
satisfação, segundo essa metodologia. Portanto essa concepção vai ser adotada para a
continuação do desenvolvimento do projeto.
44
3 DIMENSIONAMENTO PNEUMÁTICO
3.1 Cálculo da massa da chapa
Considerando as dimensões máximas da chapa a ser avançada:
Largura: 300 mm
Espessura: 2,75 mm
Comprimento: 4.000 mm
As propriedades físicas da chapa SAE 1008:
Densidade: 7860 kg/m³
Com essas definições é possível calcular a massa a ser movida pelo sistema através da
equação 6:
m = ρ*V
(6)
Onde:
ρ = Densidade do aço (kg/m³);
V = Volume (m³), equação 7
V = comprimento*largura*espessura
(7)
V = 4 m*0,3 m*0,00275 m
V = 0,0033 m³
m = 7.860 kg/m³*0,033 m³
m = 25,93 kg ou 26 kg
Considerando que será somada a massa do sistema de avanço que é de 15 kg, a massa
total a ser movimentada é de:
m = 26 kg + 15 kg
m = 41 kg
45
3.2 Atuador Avançador
A pressão no sistema será de 6 bar.
A Pressão Atmosférica será considerada de 1 bar.
Cálculo do diâmetro interno mínimo do cilindro (Dmin)
Utilizando um cilindro com diâmetro de 63 mm e haste com diâmetro de 20 mm
(catálogo - MICRO), temos uma força pneumática pela equação 1:
Fp  P1* A1  P2 * A2
(1)
Fp = (7 bar*((6,3 cm)²*3,14/4))-(1 bar*((6,3 cm)²-2²*3,14/4))
Fp = 120,1 kgf * 9,81 m/s² = 1863,7 N
A força real a ser exercida por um cilindro pneumático pode ser determinada pela
equação 2:
FL = Fp – Fa – Fatr
(2)
A Fa pode ser calculada através da equação 3:
Fa = m*a
(3)
a = aceleração do cilindro pneumático (m/s²), adotaremos 1m/s²;
Fa = 41 kg * 1 m/s²
Fa = 41 N
O Fatr pode ser calculado através da equação 4:
Fatr = m*g * μ
(4)
g = Força gravitacional (m/s²), consideramos g = 9,81 m/s²;
μ = coeficiente de atrito (adimensional), como foi utilizado guia linear para realizar o
contato no movimento, μ = 0,01;
Fatr = 41 kg * 9,81 m/s² * 0,01
Fatr =4,02 N
Portanto:
46
FL = Fp – Fa – Fatr
FL = 1863,7 N – 41 N – 4 N
FL = 1818,7 N
Considerando que a massa que vai ser movimentada é de 41 kg e um fator de
segurança de 5, utilizando a equação 5 sabemos que a força necessária para movimentar o
sistema é:
Favanço = m * a * fs
(5)
Onde:
Favanço = Força de Avanço (N);
a = Aceleração do sistema (m/s²);
fs = fator de segurança.
Favanço = 41kg * 1m/s² * 5
Favanço = 20,1kgf ou 201 N.
Como a chapa a ser utilizada tem tensões residuais oriundas do desbobinamento, é
importante esse cilindro ser superdimensionado. Considerando que o resultado foi acima do
valor necessário, o cilindro está dimensionado corretamente pois:
1818,7 N > 201 N
Cálculo do diâmetro mínimo da haste (dh)
Para o calculo da flambagem, foi utilizado o diâmetro da haste dada no catálogo de
20mm, o Eaço = 206830 N/mm², fator de segurança de 3, fator do curso = 0,5 e curso do
cilindro de 300mm, conforme a equação 6:
Ff 
 2* * E * I
(L * F ) 2 * S
(6)
E conforme equação 7:
d 4 *
I
64
I = (20 mm)4 *  /64
I = 7853,98 mm4.
(7)
47
Ff = (  ² * 206830 N/mm² * 7853,98 mm4)/((300 mm * 0,5)² * 3
Ff = 237519,5 N
237519 N > 1818,7 N
Sendo Ff = 237519 N, maior que FL = 1818,7 N, conclui-se que não irá flambar.
Cálculo da velocidade mínima de deslocamento da haste do cilindro
A velocidade do avanço poderá ser regulado conforme a necessidade do sistema, foi
adotado a velocidade recomendada pelo fabricante de 0,5 m/s.
Cálculo do consumo de ar do cilindro
O consumo de ar nos cilindros pneumáticos pode ser calculado através da equação 8.
Considerando que nosso sistema irá fazer 40 ciclos por minuto.
Qn  Vc * Rc * n
(8)
A Rc pode ser calcula pela equação 9:
Rc 
P  1,01325
1,01325
(9)
Rc = (6 bar + 1,01325)/1,01325
Rc =6,92 bar
Vc pode ser calculada através da equação 10, considerando um tubo de 4mm de
diâmetro interno e 500mm de comprimento:
=
× ( 1 + 2) +
Vc = S*(A1+A2)+Vm
Vc = 30 cm * (31,17 cm² + 28,03 cm²) + ((0,4 cm² *  /4)*(50 cm*2))
Vc = 1788,97 cm³ ou 1,79 litros
Qn = 1,79 l * 6,92 bar * 40
(10)
48
Qn = 495,5 l/min
Cálculo da potência pneumática necessária ao sistema
Para o cálculo da potência no sistema, têm-se como dados a pressão de trabalho e a
vazão necessária, conforme mostra a equação 11:
P
p * Qn
600
(11)
P = 6 bar * 495,5 l/min/600
P = 4,95 kw
Cálculo do diâmetro da tubulação do sistema
A tubulação utilizada no sistema pneumático que vai ser utilizada é a de 6 mm.
Escolhida conforme a vazão necessária no cilindro.
Cilindro escolhido
Conforme catálogo (ANEXO 1) do fabricante MICRO, foi escolhido o cilindro
compacto Série CN10 Ø63 e curso de 300 mm.
3.3 Atuador Prendedor
A pressão no sistema será de 6 bar.
A Pressão Atmosférica será considerada de 1 bar.
Cálculo do diâmetro interno mínimo do cilindro (Dmin)
Utilizando um cilindro com diâmetro de 63 mm e haste com diâmetro de 20 mm
(catálogo - MICRO), conforme BOLLMANN (1997) citado por ANDRIGUETTO (2002), a
força pneumática é determinada pela equação 1:
Fp  P1* A1  P2 * A2
(1)
Fp = (7 bar*((6,3 cm)²*3,14/4))-(1 bar*((6,3 cm)² - (2 cm)²*3,14/4))
Fp = 120,1 kgf * 9,81 = 1863,7 N
A força real a ser exercida por um cilindro pneumático pode ser determinada pela
equação 2:
FL = Fp – Fa – Fatr
(2)
49
A Fa pode ser calculada através da equação 3:
Fa = m*a
(3)
a = aceleração do cilindro pneumático (m/s²), foi adotado a = 1m/s²;
Fa = 41 kg * 1 m/s²
Fa = 41 N
O Fatr pode ser calculado através da equação 4:
Fatr = m*g * μ
(4)
g = Força gravitacional (m/s²), consideramos g = 9,81m/s²;
μ = coeficiente de atrito (adimensional), como foi utilizado guia linear para realizar o
contato no movimento, μ = 0,01;
Fatr = 41 kg * 9,81 m/s² * 0,01
Fatr =4,02 N
Portanto:
FL = Fp – Fa – Fatr
FL = 1863,7 N – 41 N – 4 N
FL = 1818,7 N
Considerando que a massa que devemos movimentar é de 41kg e um fator de
segurança de 5, utilizando a equação 5 sabemos que a força necessária para movimentar o
sistema é:
Favanço = m * a * fs
(5)
Favanço = 41 kg * 1 m/s² * 5
Favanço = 20,1 kgf ou 201 N.
Esse cilindro será o cilindro que irá prender a chapa durante o avanço, portanto é
necessário calcular a força de atrito para que o cilindro calculado acima consiga prender a
chapa durante o movimento através da equação 13:
Fatr = µ * N
Onde:
(13)
50
Fatr = Força de atrito (N);
µ = Coeficiente de atrito, aço/aço consideramos um fator de 0,25;
N = Força normal (N).
A força normal será calculada pela equação 14, considerando a força do cilindro de
1818 N, e a massa da chapa de 26kg:
N = FL - FPchapa
(14)
Onde:
FL = Força real do cilindro pneumático (N);
FPchapa = Força peso da chapa (N).
N = 1818 N - (26 kg*9,81 m/s²);
N = 1562,94 N.
Fatr = 0,3*1562,94 N
Fatr = 468,88 N
Como a força de avanço do sistema é de 201 N.
468,8 N > 201 N
Portanto o cilindro está dimensionado corretamente.
Cálculo do diâmetro mínimo da haste (dh)
Para o calculo da flambagem, foi utilizado o diâmetro da haste dada no catálogo de 20
mm, o Eaço = 206.830 N/mm², por definição será utilizado o fator de segurança de 3, fator do
curso = 0,5 e curso do cilindro de 5 mm, conforme a equação 6:
Ff 
 2* * E * I
(L * F ) 2 * S
(6)
E conforme equação 7:
I
d 4 *
64
I = (20 mm)4 *  /64
I = 7853,98 mm4.
(7)
51
Ff = (  ² * 206830 N/mm² * 7853,98 mm4)/((5 mm * 0,5)² * 3
Ff = 875070,5 kN
875070,5 kN > 1818,7 N
Sendo Ff = 875070 kN, maior que FL = 1818,7 N, conclui-se que não irá flambar.
Cálculo da velocidade mínima de deslocamento da haste do cilindro
A velocidade do avanço poderá ser regulada conforme a necessidade do sistema, a
velocidade recomendada pelo fabricante de 0,5 m/s.
Cálculo do consumo de ar do cilindro
O consumo de ar nos cilindros pneumáticos pode ser calculado através da equação 8.
Considerando que nosso sistema irá fazer 40 ciclos por minuto.
Qn  Vc * Rc * n
(8)
A Rc pode ser calcula pela equação:
Rc 
P  1,01325
1,01325
(9)
Rc = (6 bar + 1,01325)/1,01325
Rc =6,92 bar
Vc pode ser calculada através da equação 10, considerando que será utilizado um tubo
de 4 mm de diâmetro interno e 500 mm de comprimento:
=
× ( 1 + 2) +
Vc = S*(A1+A2)+Vm
Vc = 0,5 cm * (31,17 cm² + 28,03 cm²) + ((0,4 cm ² *  /4)*(50cm*2))
Vc = 32,74 cm³ ou 0,0327 litros
Qn = 0,0327 l * 6,92 bar * 40
(10)
52
Qn = 9,05 l/min
Cálculo da potência pneumática necessária ao sistema
Para o cálculo da potência no sistema, têm-se como dados a pressão de trabalho e a
vazão necessária, conforme mostra a equação 11:
P
p * Qn
600
(11)
P = 6 bar * 495,5 l/min / 600
P = 4,95 kw.
Cálculo do diâmetro da tubulação do sistema
A tubulação utilizada no sistema pneumático que vai ser utilizada é a de 6 mm.
Escolhida conforme a vazão necessária no cilindro.
Cilindro escolhido
Conforme catálogo (ANEXO 2) do fabricante MICRO, foi escolhido o cilindro
compacto Série C16 Ø63 mm e curso de 5 mm.
Será utilizado duas unidades desse cilindro, pois além do cilindro dimensionado
acima, será utilizado mais um cilindro prendedor fixo, como ele deverá segurar a chapa
estática, a força necessária será menos que essa calculada acima, mas por segurança e menor
número de componentes diferentes foi adotado o mesmo cilindro.
Simulação
Com a utilização do SolidWorks Motion, foi feita a análise dos movimentos desse
dispositivo, na Figura 19 pode ser analisado o gráfico da força de atrito do prendedor da
chapa.
53
Figura 19 - Gráfico Simulação Força de Atrito.
Fonte: Autor.
A força de atrito na simulação teve um valor próximo a 480 N, como obtivemos o
valor de 468,8 N no cálculo analítico, podemos considerar que o dispositivo está
dimensionado corretamente, pois essa pequena diferença de deve a algumas partes do
conjunto que não está sendo considerada nos cálculos analíticos.
Na Figura 20 está a imagem da simulação.
Figura 20 - Simulação de Movimentos.
Fonte: Autor.
54
3.4 Válvulas Direcionais
Cilindro Avançador
De acordo com a configuração necessária para o funcionamento do sistema, a válvula
direcional a ser utilizada para esse cilindro será uma válvula direcional 5/2 vias acionamento
de duplo piloto pneumático.
Será necessário apenas dimensionar o tamanho da válvula direcional de acordo com a
vazão necessária do cilindro pneumático, através da equação 12, conforme BOLLMANN
(1997), citado por ANDRIGUETTO (2002).
Considerando, a temperatura do ar em 20°C, a queda de pressão na válvula de 1 bar, e
o Cv da válvula de 0,85 (conforme catálogo - MICRO):
Qn = Cv * 984
(12)
Qn = 0,85 * 984
Qn =836,4 l/min
Como a vazão consumida pelo cilindro é de Qn = 495,5 l/min
836,4 l/min > 495,5 l/min
Considerando que a vazão consumida pelo cilindro é menor que a vazão da válvula
direcional, é possível considerar que essa válvula direcional está bem dimensionada.
Válvula Direcional Escolhida
Conforme catálogo (ANEXO 3) do fabricante MICRO, foi escolhida a válvula
direcional 5/2 vias biestável por impulsos pneumáticos série VM15 1/8".
Cilindro Prendedor
De acordo com a configuração necessária para o funcionamento do sistema, a válvula
direcional a ser utilizada para esse cilindro será uma válvula direcional 5/2 vias acionamento
de duplo piloto pneumático, como tem dois cilindros iguais, será utilizada uma válvula
direcional para cada cilindro, pois eles vão fazer movimentos em tempos diferentes, mas do
mesmo modelo.
Será necessário apenas dimensionar o tamanho da válvula direcional de acordo com a
vazão necessária do cilindro pneumático, através da equação 12, conforme BOLLMANN
(1997), citado por ANDRIGUETTO (2002).
55
Considerando, a temperatura do ar em 20°C, a queda de pressão na válvula de 1 bar, e
o Cv da válvula de 0,42 (conforme catálogo - MICRO):
Qn = Cv * 984
(12)
Qn = 0,42 * 984
Qn =413,28 l/min.
Como a vazão consumida pelo cilindro é de Qn = 9,05 l/min.
413,28 l/min > 9,05 l/min
Essa válvula direcional está bem dimensionada, neste caso poderia ser utilizada uma
válvula menor, mas esse modelo adotado é a menor válvula 5/2 vias desse fabricante.
Válvula Direcional Escolhida
Conforme catálogo (ANEXO 4) do fabricante MICRO, foi escolhida a válvula
direcional 5/2 vias biestável por impulsos pneumáticos série SB0 Global Class 1/8".
Será utilizado duas unidades desse cilindro, será utilizado duas unidades dessa válvula
direcional.
3.5 Diagrama Pneumático
Conforme a necessidade de movimentos para o funcionamento do sistema, foi
desenvolvido o diagrama pneumático no software AutomationStudio 5.6, conforme Figura 21.
Como já foi dimensionado e especificado os cilindros pneumáticos e as válvulas
direcionais a serem utilizadas no sistema, agora serão especificadas as válvulas auxiliares para
o funcionamento do mesmo.
3.6 Válvulas Auxiliares
As válvulas auxiliares utilizadas serão escolhidas com a mínima vazão possível, pois
elas darão apenas comandos por piloto pneumático, onde não é necessário grandes vazões e
pressões de ar comprimido.
Válvulas 3/2 vias
Essa válvula tem a função de confirmar o avanço do cilindro de avanço, será utilizada
uma válvula 3/2 vias comando por rolete série MML - M5, conforme catálogo MICRO
(Anexo 5).
56
Figura 21 - Diagrama Pneumático.
Fonte: Autor.
Sensor Ausência de Pressão
Esse sensor tem a função de confirmar que o cilindro prendedor móvel e o cilindro
prendedor fixo retornaram, será utilizado o Sensor por Ausência de Pressão G1/8", conforme
catálogo Micro (Anexo 6).
Válvula Reguladora de Vazão
Como o movimento de um cilindro prendedor, deve ser um pouco atrasado em relação
ao outro, serão usadas duas válvulas reguladoras de vazão, para obter esse resultado. A
válvula utilizada é a Válvula Reguladora de Vazão em linha para tubo 6mm, conforme
fabricante MICRO (Anexo 7).
Válvula Direcional
Para iniciarmos o processo, é necessário colocar a chapa no alimentador e prendê-la na
posição inicial, para efetuar esse procedimento é necessário colocarmos uma válvula 5/2 vias
conforme diagrama acima. Através de um comando elétrico com retenção efetuamos esse
passo. Para essa aplicação será utilizado, conforme catálogo (ANEXO 4) do fabricante
MICRO, foi escolhida a válvula direcional 5/2 vias solenoide/mola série SB0 Global Class
1/8".
57
3.7 Tubulação e conexões
As conexões tem o papel de realizar a união dos tubos de ar comprimido com as
válvulas e atuadores pneumáticos (ANDRIGUETTO, 2002).
Para facilitar a montagem do sistema utilizaremos conexões de engate rápido de
acordo com a necessidade de cada componente.
A tubulação utilizada será um tubo de poliuretano (PU) com diâmetro externo de 6
mm.
58
4 DIMENSIONAMENTO MECÂNICO
Através do projeto conceitual foi adotado a concepção 1 do dispositivo automático
para a alimentação de chapas continuas para ferramentas de estampo como sendo a melhor
forma de construir esse dispositivo (Figura 22). Como já foi feito o dimensionamento
pneumático do nosso sistema resta detalhar a parte estrutural e de mecanismos do sistema.
Figura 22 - Modelagem 3D do Dispositivo.
Fonte: Autor.
4.1 Estrutura
Como a estrutura escolhida foi a de alumínio, foi simulado 2 concepções diferentes de
estruturas para definir a que melhor resistisse aos esforços exigidos.
Para essas simulações foram utilizados os softwares: SolidWorks Simulation 2011 e o
ANSYS R14.5.
Estrutura modelo 1
A primeira concepção foi uma chapa de alumínio inferior com espessura de 12 mm,
foi colocado os pontes fixos nos locais onde está os parafusos de fixação, e aplicada uma
força de 20 kg na extremidade oposta, considerando ainda a força da gravidade. Conforme a
Figura 23, o deslocamento máximo ficou em aproximadamente 1,3mm, o qual é muito
significativo para essa aplicação.
59
Figura 23 – Simulação Primeira Concepção.
Fonte: Autor.
Estrutura modelo 2
A segunda concepção foi uma chapa de alumínio inferior com espessura de 12mm e
mais duas chapas laterais de 9,5mm de espessura, foi colocado os pontes fixos nos locais onde
está os parafusos de fixação, e aplicada uma força de 20kg na extremidade oposta,
considerando ainda a força da gravidade. Conforme a Figura 24, o deslocamento máximo na
região em vermelho ficou em aproximadamente 0,2mm, o qual é aceitável para essa
aplicação, contudo esse foi o modelo estrutural adotado para nosso dispositivo.
Figura 24 - Simulação Segunda Concepção.
Fonte: Autor.
60
4.2 Caixa de Proteção
Para colocar os componentes pneumáticos e para proteger o cilindro de avanço, foi
necessário desenvolver uma caixa metálica para executar essa função.
A caixa foi modelada com chapa de aço carbono SAE 1008, com espessura de 1,9
mm. Foi feita uma simulação de esforços estruturais estáticos, colocando os pontos fixos nos
furos de fixação e a força de 18 kg somado a força peso do sistema na extremidade oposta,
conforme Figura 25.
A deformação observada na região em vermelho é de aproximadamente 0,2 mm, o que
é aceitável para a aplicação dessa caixa.
Figura 25 - Simulação Caixa de Proteção.
Fonte: Autor.
4.3 Prendedor
Outro componente crítico, que foi dimensionado através de simulação, foi o apoio
superior dos cilindros prendedores da chapa.
Utilizando um aço com espessura de 14 mm, conforme Figura 26, foi aplicado uma
força de 220 kgf (força cilindro prendedor aproximadamente 180 kgf), fixando o aço nas
extremidades e aplicando a força no centro, é notado que o deslocamento é de 0,056 mm (cor
vermelha), o que é admissível para a aplicação.
61
Figura 26 - Simulação Prendedor.
Fonte: Autor.
4.4 Guia Linear
Conforme escolha do projeto conceitual, o alinhamento do carro móvel, será através
de um guia linear.
Os guias lineares andam sobre esferas o que causa um baixo atrito entre as partes, uma
alta precisão e rigidez.
O guia linear utilizado nesse dispositivo é o MSB25S com um comprimento de
570mm e o carro é o MSB25S, escolhido por sua alta precisão, capacidade de carga e vida
útil, como pode ser verificado no catálogo do fabricante OBR (Anexo 8).
4.5 Regulagens
Esse dispositivo pode ser utilizado com chapas de espessura 1,5mm a 2,75mm, largura
de 80mm a 300mm e passo de 80 a 300mm.
Para a mudança de espessura da chapa não é necessário efetuar nenhuma regulagem. O
prendedor se ajusta automaticamente pois o curso dele admite isso.
Para efetuar a mudança de largura da chapa, existem dois rolos guias mostrados na
Figura 27 que devem ser ajustados lateralmente, conforme a necessidade. A tira sempre deve
ficar centrada no dispositivo, para o seu funcionamento correto.
62
Figura 27 - Ajuste Largura da Chapa.
Fonte: Autor.
Para fazer o ajuste do passo no dispositivo, há furos nas laterais onde a parte móvel do
dispositivo pode ser fixa. Esses furos estão dispostos a cada 25 mm, conforme Figura 28, e
para fazer o ajuste intermediário o batente do prendedor móvel possui uma rosca que também
pode ser ajustada conforme mostrada Figura 29.
Figura 28 - Ajuste do Passo de Avanço.
Fonte: Autor.
63
Figura 29 - Ajuste Fino do Passo de Avanço.
Fonte: Autor.
Para saber a medida que o passo está regulado é necessário fazer a medição com o
cilindro avançador recuado, conforme Figura 30.
Figura 30 - Medida do Passo.
Fonte: Autor.
4.6 Segurança
Além de tornar o processo mais rápido e eficiente, esse dispositivo tem a função de dar
mais segurança ao processo.
Para evitar acidentes no próprio dispositivo, a parte móvel está protegida por uma
chapa de policarbonato, possibilitando assim, além da segurança uma visibilidade do processo
que está ocorrendo, conforme Figura 31.
64
Figura 31 – Proteção de Policarbonato.
Fonte: Autor.
5 MODELO FINAL
A disposição final dos cilindros na posição inicial ficou conforme a Figura 32 e Figura
33.
Figura 32 - Vista Superior - Posição Inicial.
Fonte: Autor.
Figura 33 - Vista Lateral - Posição Inicial.
Fonte: Autor.
Na posição com o cilindro avançado o sistema ficará conforme Figura 34, Figura 35 e
Figura 36.
65
Figura 34 - Vista Lateral - Posição Final.
Fonte: Autor.
Figura 35 - Vista Superior - Posição Final.
Fonte: Autor.
Figura 36 - Vista Isométrica - Posição Final.
Fonte: Autor.
No Anexo 9 está um desenho detalhado do conjunto com algumas dimensões externas.
A fabricação do protótipo do dispositivo alimentador pneumático de chapas para
ferramenta de estampo foi realizada utilizado centro de usinagem, máquinas convencionais,
elementos de maquina, solda MIG/MAG e componentes pneumáticos conforme
dimensionamento, conforme Figura 37.
66
Figura 37 – Protótipo do Alimentador.
Fonte: Autor.
67
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O Projeto DIMENSIONAMENTO DE UM ALIMENTADOR DE CHAPAS PARA
FERRAMENTAS DE ESTAMPO foi elaborado para suprir uma necessidade de alimentar
chapas (matéria-prima) em ferramentas de estampo, para a produção industrial. podendo
privar o operário de um esforço repetitivo. Um dos recursos para buscar uma solução para
este problema é a automação industrial.
Na metodologia de projeto foi construída a casa da qualidade, o quadro de
identificação de problemas, o diagrama FAST, foi criada 3 concepções e realizada a avaliação
comparativa das mesmas. Após essa etapa foi realizado cálculos de dimensionamento,
simulações, modelagem do protótipo e desenhos técnicos mecânicos.
Após realizadas todas as etapas da metodologia de projeto, da execução dos cálculos
para dimensionamento dos componentes e utilização de software para o auxílio em algumas
etapas do processo, é possível notar que o estudo foi de grande importância, podendo assim
utilizar esse modelo para futuramente construir um protótipo e realizar testes práticos.
O dispositivo obtido é um dispositivo robusto, pelo fato de que a modelagem teve um
resultado muito próximo das simulações realizadas, por exemplo, a força necessária para o
prendedor segurar a chapa durante o movimento foi de 468,2 N nos cálculos e de 480 N na
simulação assistida por computador.
Neste dispositivo é possível obter várias regulagens de passo e largura da chapa,
através de mecanismos mecânicos, possui um sistema de fácil fixação e adaptação a diversas
ferramentas, tornando-se um dispositivo útil em vários processos.
Em termos de segurança esse dispositivo atende os requisitos necessários levantados
na casa da qualidade para a produção industrial.
Pode ser usado em indústrias metal-mecânicas de diversos tamanhos por ter um custobenefício bom, e ter fácil manutenção devido aos seus componentes padronizados.
68
REFERÊNCIAS
ALBUQUERQUE, P. U. B., ALEXANDRIA, A. R. Redes Industriais: Aplicações em
Sistemas Digitais de Controle Distribuído. 1ª Ed. Fortaleza: Edições Livro Técnico, 2007.
Anais dos Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, 2001. PROJETO DE
ALIMENTADOR PNEUMÁTICO PARA AUTOMAÇÃO DE PROCESSO DE
ALIMENTAÇÃO DE CHAPAS EM PRENSAS CNC, Vitor F. Romano. Paulo R. A.
Guimarães.
ANDRIGUETTO, Pedro Luís. Pneumática Básica, Volume II. Ijuí, RS, 2002.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ISO 1219. Simbologia
Pneumática.
BELAN, H. C. Bancada Didática para Sistemas de Automação Pneumática, Projeto de Fim de
Curso. UFSC. Florianópolis, 2005.
BOLLMANN, A. Fundamentos da automação Industrial Pneutrônica, São Paulo, ABHP –
Associação Brasileira de Hidráulica e Pneumática, 1995.
DALL’AMICO, Renato. SMC Pneumáticos do Brasil, Fundamentos da Pneumática.
DE NEGRI, V. J, Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos para Automação e Controle – Parte I.
UFSC. Florianópolis, 2001.
DE NEGRI, V. J, Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos para Automação e Controle – Parte II.
UFSC. Florianópolis, 2001.
DE NEGRI, V. J, Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos para Automação e Controle – Parte III.
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70
ANEXO 1 – Cilindros ISO Dupla Ação.
Fonte: Catálogo MICRO.
71
ANEXO 2 – Cilindros Compactos Dupla Ação.
72
Fonte: Catálogo MICRO.
73
ANEXO 3 – Válvulas Direcionais Série VM15.
Fonte: Catálogo MICRO.
74
ANEXO 4 – Válvulas Direcionais Série SB0
Fonte: Catálogo MICRO.
75
ANEXO 5 – Válvulas Direcionais Série MML
76
Fonte: Catálogo MICRO.
77
ANEXO 6 – Sensor Por Ausência de Pressão
Fonte: Catálogo MICRO.
78
ANEXO 7 – Reguladores de Fluxo.
Fonte: Catálogo MICRO.
79
ANEXO 8 – Guias Lineares.
80
Fonte: Catálogo OBR.
81
ANEXO 9 – Detalhamento do Conjunto.
Fonte: Autor.
82