PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UM EQUIPAMENTO
PARA A APLICAÇÃO DE VEDANTES EM TAMPAS DE
GALÕES DE ÁGUA MINERAL.
Bruno César Lugli dos Santos
002200500593
Itatiba – São Paulo – Brasil
Dezembro de 2009
ii
Curso de Engenharia Mecânica Automação e Sistemas
PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UM EQUIPAMENTO
PARA A APLICAÇÃO DE VEDANTES EM TAMPAS DE
GALÕES DE ÁGUA MINERAL.
Bruno César Lugli dos Santos
Monografia apresentada à disciplina Trabalho de
Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia de Mecânica
– Automação e sistemas da Universidade São Francisco,
sob a orientação do Prof. Amauri Olívio, como exigência
parcial para conclusão do curso de graduação.
Orientador: Prof. Amauri Olívio
Itatiba – São Paulo – Brasil
iii
Projeto e desenvolvimento de um equipamento para aplicação de
vedantes em tampas de galões de água mineral.
Bruno César Lugli dos Santos
Monografia defendida e aprovada em 12 de Dezembro de 2009 pela Banca
Examinadora assim constituída:
Prof. Amauri Olívio (Orientador)
USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
Prof. Ms. Paulo Eduardo Silveira (Membro Interno)
USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
Prof. Celso de Godoy (Membro Interno)
USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
iv
A vida é como andar de bicicleta. Para manter o
equilíbrio é preciso se manter em movimento.
(Albert Einstein)
v
A DEUS primeiramente, que me proporcionou
tudo na vida para chegar até aqui.
Aos meus pais Márcia Aparecida Lugli dos Santos
e José Romildo dos Santos, que tanto me
apoiaram, confiaram em min e sem os quais não
chegaria até aqui.
Aos meus avós maternos, Renato Lugli e Maria
Clarita Lugli, e paternos, Vicente José dos Santos
e Claudina Barbosa dos Santos, que tanto oraram
e torceram por min.
Aos professores e amigos da universidade por ter
passado juntos tantos momentos de dedicação,
estudos e alegrias aprendendo uns com outros.
Sou eternamente grato a todos.Obrigado!
vi
.Agradecimentos
Agradeço primeiramente ao Professor Amauri Olívio, meu orientador, que acreditou em mim
e incentivou-me para a conclusão deste trabalho, face aos inúmeros percalços do trajeto.
Agradeço também ao Professor Eduardo Balster, um companheiro de percurso e de discussões
profícuas, dentro e fora do contexto deste trabalho, agraciando-me incontáveis vezes com sua
paciência, conhecimento e amizade.
Alguns experimentos e vários “entendimentos” não teriam sido possíveis sem a colaboração
de professores e amigos ao longo da vida acadêmica.
Eu agradeço fraternalmente a todos.
vii
Sumário
Lista de Figuras ...................................................................................................................... ix
Lista de Tabelas .....................................................................................................................xii
Resumo ...................................................................................................................................xiii
1 INTRODUÇÃO.................................................................................................................. 1
1.1 Objetivos...............................................................................................................................1
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................... 2
2.1 Automação Industrial - Controladores Logicos Programaveis(CLP's).........................2
2.1.1 Caracteristicas dos CLP's........................................................................................2
2.1.2 Funcionamento dos CLP's.......................................................................................3
2.1.3 Funções Logicas......................................................................................................6
2.2 Automação Industrial - Pneumática...............................................................................8
2.2.1 Automatismos.........................................................................................................9
2.2.2 Caracteristicas da pneumática.................................................................................9
2.2.3 Base de cálculos....................................................................................................10
2.3 Processo.......................................................................................................................11
2.3.1 Processo de colocação de vedantes em tampas de garrafas pet............................11
2.3.2 Processo de colocação de vedantes em tampas de galões de água.......................13
2.4
3
Contaminação..............................................................................................................13
METODOLOGIA............................................................................................................15
3.1 Definição do projeto....................................................................................................15
3.1.1 Descrição do funcionamento.................................................................................15
3.1.2 Pré-Projeto - Prototipagem rápida.........................................................................16
3.1.3 Projeto - Desenvolvimento final...........................................................................17
3.2 Ciclo do equipamento, Atuadores e Programação CLP............................ .................20
3.2.1
Atuadores pneumáticos........................................................................................23
3.2.2 Válvulas pneumáticas e diagrama pneumatico dos atuadores..............................31
3.2.3 Válvulas de vácuo.................................................................................................34
3.3
Sensores......................................................................................................................36
viii
3.4
Alimentação das tampas na esteira..............................................................................37
4
RESULTADOS.................................................................................................................39
4.1 Solução para o risco de contaminação.........................................................................42
4.2 Apresentação do estudo de tempos do equipamento...................................................42
4.3 Lista de peças e valores de mercado............................................................................43
5
CONCLUSÃO...................................................................................................................45
5.1 Extensão.......................................................................................................................45
Anexo 1 - Programação do CLP HI ...................................................................................... 47
Referências Bibliográficas ..................................................................................................... 56
Bibliografia consultada .......................................................................................................... 57
ix
Lista de Figuras
FIGURA 2.1 – ESTRUTURA BASSICA DOS CLP’S.
4
FIGURA 2.2 – CICLO DE PROCESSAMENTO DOS CLP’S.
4
FIGURA 2.3 – REPRESENTAÇÃO DE UMA FUNÇÃO E.
7
FIGURA 2.4 – REPRESENTAÇÃO DE UMA FUNÇÃO OU.
7
FIGURA 2.5 – REPRESENTAÇÃO DE UMA FUNÇÃO NÃO.
8
FIGURA 2.6 – EQUIPAMENTO SCORING-LINER.
12
FIGURA 2.7 – ILUSTRAÇÃO DO PROCESSO DE COLOCAÇÃO DE
VEDANTES E TAMPAS DE GARRAFA PET.
12
FIGURA 2.8 - PROCESSO ATUAL MANUAL DE COLOCAÇÃO DE VEDANTES
EM TAMPAS DE GALÕES DE ÁGUA.
FIGURA 3.1 – CICLO EFETUADO MANUALMENTE NO PROTOTIPO.
13
16
FIGURA 3.2 – CILINDRO GIRATÓRIO DE ALETAS E VALVULA GERADORA
DE VÁCUO.
FIGURA 3.3 – EQUIPAMENTO COM ATUADORES AVANÇADOS.
16
18
FIGURA 3.4 – EQUIPAMENTO COM ATUADORES DE CRAVAMENTO
RECUADOS.
FIGURA 3.5 – SUPORTE DO ALIMENTADOR DE VEDANTES.
18
19
x
FIGURA 3.6- BASE FEITA EM NYLON PARA GUIA DAS TAMPAS E FIXAÇÃO
DOS CILINDROS DE STOP E TAMPA EM ACRÍLICO COM FUNÇÃO DE
POKA-YOKE.
19
FIGURA 3.7 – FERRAMENTA DE NYLON PARA A INSERÇÃO DOS VEDANTES COM
FUROS PARA ACOPLAMENTO DO SISTEMA DE VÁCUO.
20
FIGURA 3.8 – DIAGRAMA DE TRAJETO E PASSO DOS ATUADORES
PNEUMÁTICOS.
24
FIGURA 3.9 – DESENHO DO ATUADOR GIRATÓRIO COM FLANGE PARA
FIXAÇÃO DO SUPORTE DOS CILINDROS DE CRAVAMENTO.
25
FIGURA 3.10 – FIXAÇÃO DO ATUADOR GIRATÓRIO E FLANGE DE FIXAÇÃO DOS
CILINDROS DE CRAVAMENTO.
25
FIGURA 3.11 – GRÁFICO DO TEMPO DE CICLO DO CILINDRO GIRATÓRIO COM
EMBOLO COM 32 mm DE DIÂMETRO E 180° ENTRE A POSIÇÃO
FINAL E INICIAL.
26
FIGURA 3.12 – ATUADOR GIRATÓRIO COM FLANGE.
27
FIGURA 3.13 – VISTA FRONTAL DO GUIA DA TAMPA.
27
FIGURA 3.14 – FOTO ILUSTRATIVA DO CILINDRO PNEUMÁTICO DE STOP DAS
TAMPAS.
28
FIGURA 3.15 – DESENHO ILUSTRATIVO FEITO E AUTO CAD DO CURSO MINIMO
NECESSÁRIO.
FIGURA 3.16 – CILINDRO COM GUIAS INTEGRADAS ANTI-GIRO.
29
30
FIGURA 3.17 - FOTO ILUSTRATIVA DO CILINDRO PNEUMÁTICO COM GUIAS
INTEGRADAS
31
xi
FIGURA 3.18 – DIAGRAMA PNEUMÁTICO DO EQUIPAMENTO
32
FIGURA 3.19 – DISPOSITIVO DE CRAVAMENTO COM O VEDANTE.
35
FIGURA 3.20 – VALVULA GERADORADORA DE VÁCUO
35
FIGURA 3.21 – FOTO ILUSTRATIVA DO ALIMENTADOR VIBRATORIO
37
FIGURA 3.22 – EQUIPAMENTO COM ALIMENTADOR VIBRATORIO
ACOPLADO.
38
FIGURA 4.1 – INDICAÇÃO DOS COMPONETES
39
FIGURA 4.2 – EQUIPAMENTO EFETUANDO O CICLO
40
FIGURA 4.3 – VISÃO GERAL INTERNA DO EQUIPAMENTO
40
FIGURA 4.4 – VISTA LATERAL ESQUERDA DO EQUIPAMENTO
41
FIGURA 4.5 – VISTA FRONTAL DO EQUIPAMENTO
41
FIGURA 4.6 – EQUIPAMENTO COM AS PRINCIPAIS DIMENSÕES
42
xii
Lista de Tabelas
TABELA 2.1 – FAIXAS DE TENSÃO E CORRENTE UTILIZADAS EM CLP’S
5
TABELA 3.1–IDENTIFICAÇÃO DOS COMPONENTES E SEUS RESPETIVOS
CODIGOS PARA A DEFINIÇÃO DO CICLO DO EQUIPAMENTO
21
TABELA 3.2–CICLO DO EQUIPAMENTO E IDENTIFICAÇÃO DOS COMPONENTES
COM SEUS RESPECTIVOS CÓDIGOS.
TABELA 4.1–ESTUDO DE TEMPO DO EQUIPAMENTO DE INSERÇÃO.
21
43
TABELA 4.2–COMPONENTES DO EQUIPAMENTO COM SEUS RESPECTIVOS
CÓDIGOS COMERCIAIS E CUSTO PARA COMPRA.
44
xiii
Resumo
O mercado mundial nos últimos anos está cada mais competitivo devido à quantidade
crescente de empresas que são lançadas no mercado. Devido a essa competição as empresas
estão sempre buscando maneiras de reduzir seus custos de produção com a otimização e
melhorias do processo mantendo a qualidade do produto final. Visando a necessidade de uma
empresa que produz tampas para galões de água mineral surgiu o interesse de projetar um
equipamento que fosse capaz de aplicar automaticamente o vedante nas tampas, eliminando o
contato manual para evitar contaminação por microorganismos, ergonomia do operador e alta
cadência produtiva. Esta monografia apresenta o projeto de um equipamento eletro
pneumático automático de prensagem capaz de aplicar vedantes em tampas de galões de água
mineral automaticamente, eliminando o contato manual que é responsável pela contaminação
por microorganismos, eliminando o problema ergonômico gerado pelos movimentos manuais
repetitivos e apresenta como extensão uma possível duplicação do equipamento a redução de
uma mão de obra direta (M.O. D). Com a utilização de sensores, válvulas, cilindros
pneumáticos comerciais, controlador lógico programável e desenhos em e Auto CAD Solid
Works para uma visão geral e apresentação do projeto conclui-se que o equipamento é
extremamente viável para a solução do problema de contaminação que é problema o mais
critico no processo produtivo.
PALAVRAS-CHAVE: Automação, contaminação, qualidade, redução de mão de obra direta.
1
1
INTRODUÇÃO
A automação industrial vem sendo utilizada por empresas de diversos ramos
produtivos e utilizada visando a redução do valor agregado do produto final, a qualidade do
produto, a ergonomia e a maximização da produção, reduzindo o tempo de fabricação (tempo
de ciclo), aumentando a satisfação do cliente e a competitividade da empresa no concorrido
mercado mundial.
Esta tendência torna-se cada vez mais comum em empresas que buscam a melhoria
contínua do seu processo produtivo e a viabilidade econômica. Para empresas do setor
alimentício, procura-se desenvolver processos livres da manipulação feita pelas pessoas,
reduzindo ou eliminando a contaminação por microorganismos e bactérias que pode ocorrer
durante o processo.
Atualmente o processo de colocação de vedantes em tampas de galões de água é feito
manualmente. Existe um processo de higienização e roupa especial para evitar a
contaminação por bactérias. As mãos são lavadas com sabonete bactericida e após serem
secas se faz necessária à utilização de creme também bactericida.
Com base nas necessidades citadas acima torna-se interessante o desenvolvimento de
uma sistema automático para a colocação de vedantes nas tampas de galões de água mineral.
1.1 Objetivos
Este trabalho tem como objetivo apresentar o projeto e desenvolvimento de uma
máquina automática capaz de colocar vedantes em tampas de galões de água mineral com
uma boa cadência produtiva e com um baixo custo de investimento eliminando o contato
manual com os vedantes e tampas que são geradores de contaminação, redução de uma mão
de obra direta e redução problemas ergonômicos devido aos movimentos repetitivos
realizados no processo manual.
2
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Automação Industrial-Controladores Lógico Programáveis
A automação industrial apresenta constante crescimento nestes últimos anos devido ao
grande potencial de empresas que estão visando cada vez mais desenvolver e criar soluções
para os mais diversos processos produtivos.
O conhecimento e o domínio das tecnologias utilizadas têm sido pré-requisitos para a
sobrevivência das empresas no ramo de automação industrial, onde o CLP’s (controladores
lógicos programáveis) se destacam como solução para as mais variáveis aplicações.[1]
Os CLP’s surgiram no fim da década de 60 e início da década de 70 a partir dos
dispositivos micro processados, quando sua forma básica de programação era oriunda da
lógica de programação dos diagramas elétricos a relês que são próprios para ambientes
industriais. Os controladores realizavam uma rotina cíclica de operação, o que caracteriza seu
princípio de funcionamento e operavam apenas com variáveis digitais, efetuando o controle
discreto. A General Motors Corporation foi responsável pela primeira experiência com um
controle de lógica programável utilizando apenas um minicomputador com capacidade de
programação e periféricos capazes de realizar operações de entrada e de saída. [1] [2]
Essa primeira geração de CLP’s, como poderia ser denominada, recebeu sensíveis
melhorias com o advento dos microprocessadores, ocorrido durante a década de 70.
Dispensava a utilização de microcomputadores, tornando-os uma unidade isolada onde foram
adicionados ainda recursos importantes como interfaces de operação e programação
facilitadas ao usuário, instruções de aritmética e de manipulação de dados poderosas, recursos
de comunicação por meios de redes de CLP’s, possibilidade de configuração especifica a cada
finalidade por meio de módulos intercambiáveis, dentre outras inúmeras vantagens
encontradas nos modelos comerciais, atualmente disponíveis. [1]
2.1.1 Características dos CLP’s
Devido à crescente capacidade de recursos empregados, os CLP’s podem ser
facilmente confundidos devido à ampla gama de equipamentos disponíveis para o controle
industrial, porém existem três características básicas que são referência para a diferenciação
de um CLP:
3
- O equipamento deve executar uma rotina cíclica de operação quando está em pleno
funcionamento;
- A programação básica deve ser realizada a partir de uma linguagem oriunda dos
diagramas elétricos de relês;
- O produto deve ser projetado para operação em ambiente industrial sujeito as
condições ambientais diversas; [1].
2.1.2 Funcionamentos dos CLP’s
O principio de funcionamento dos CLP’s é dividido em:
- Sinais externos recebidos, chamados de variáveis de entrada do CLP, que são
oriundos de fontes pertencentes ao processo controlado ou comandos gerados pelo operador.
Esses sinais são obtidos a partir do acionamento ou desacionamento de sensores, botões,
chaves, limites, botoeiras, etc.
- Sinais emitidos pelo CLP na saída, chamados variáveis de saída, que são os
dispositivos controlados por cada ponto na saída do CLP. Estes sinais podem interferir
diretamente no processo, controlando por acionamento próprio, válvulas, contatores, e etc,
podendo também indicar alguma falha do processo emitindo uma sinalização para chamar a
atenção do operador com lâmpadas, alarmes em displays, alarmes sonoros.
- Seqüência especifica de instruções selecionadas de um conjunto de operações
oferecidas pelo CLP em uso. Esta seqüência de instruções é chamada programa e irá realizar
as ações de controle desejadas, ativando ou não as memórias internas e os pontos de saída do
CLP a partir da monitoração do estado das mesmas memórias internas e/ou dos pontos de
entradas do CLP; [1].
Os CLP’s são compostos por dois elementos: a CPU (Unidade central de
Processamento) e interfaces de I/O (sinais de entradas e saídas), conforme Figura 2.1:
4
Figura 2.1: Estrutura básica de um CLP [1].
A CPU é composta de componentes eletrônicos similares aos de um computador
digital: um microprocessador, um banco de memória e um barramento para a interligação dos
elementos dos sistemas. Esta parte do CLP é responsável pela leitura cíclica das entradas,
execução do programa e atualização das saídas, conforme Figura 2.2:
Figura 2.2. Ciclo de processamento dos CLP’s.
5
O sistema das entradas / saídas (I/O) faz a conexão física entre a CPU, que executa o
programa e o mundo externo por meio de inúmeros tipos de interfaceamentos, como por
exemplo: entradas e saídas discretas e as entradas e saídas numéricas.
As entradas e saídas discretas consistem na informação de um único bit ligado ou
desligado (isso define sua característica discreta), ou seja, 0 ou 1. São exemplos de
dispositivos de entradas e saídas discretas: chaves seletoras, sensores de proximidade, chaves
fim de curso, contatos a relés, solenóides, partida de motores, válvulas, sirenes etc. Cada um
destes dispositivos é acionado por um tipo de fonte de alimentação que são disponíveis em
vários tipos de tensão CA ou CC : 12 Vcc, 24 Vcc, 110 Vca e 220 Vca. Para as entradas e
saídas são contatos abre/fecha, que suportam corrente de até 1 ampere e com isolação de
220V e o numero de pontos de entrada/saídas que o terminal possui em comum varia de dois
ou mais pontos conforme o fabricante.
As entradas e saídas numéricas utilizam a parte que consiste no processamento
numérico do CLP, onde a recepção ou envio de sinais numéricos faz-se principalmente por
pontos de entradas/saídas analógicos, o que mostra que implicitamente dentro de um CLP
existe um conversor analógico digital.
As principais diferenças entre entradas / saídas discretas e numéricas é que as entradas
numéricas conseguem operar com dispositivos multibits, como é o caso dos motores de passo
e acionamento de display. São exemplos de entradas e saídas analógicas: transdutores de
tensão e corrente, réguas potenciométricas, potenciômetros, válvula analógica, acionamento
de motores DC, mostradores gráficos e como exemplo de entradas e saídas multibits temos
encoder absoluto, encoder incremental, displays alfanuméricos, acionamento de motores de
passo, etc.
Cada dispositivo analógico é acionado por fonte de tensão distinta, por isso são
fornecidas várias faixas de tensão e corrente, conforme Tabela 2.1: [2].
Tabela 2.1: Faixas de tensão e corrente utilizadas em CLP’s.
Tensão CC (V):
0a1
0a5
-10 a +10 -5 a 5
Corrente CC (mA):
0 a 20
0 a 10
+1 a +5
04 a 20
6
2.1.3 Funções lógicas
Na elétrica, o relé foi um dos primeiros componentes a ser utilizado com circuitos, em
seguida, vieram as válvulas e os dispositivos baseados em semicondutores. Os dispositivos
baseados em semicondutores tiveram uma rápida evolução, sendo inseridos em um circuito
integrado. Com esses componentes também, sempre se objetivou executar comandos a partir
de certas funções lógicas já conhecidas.
Os conceitos básicos não mudaram, sempre sendo feita a análise lógica através da
aritmética binária. O estado de uma chave aberta ou fechada pode-se fazer corresponder ao
nível lógico 0 ou 1.
Uma posição lógica é um enunciado, uma frase. Uma afirmação pode ser verdadeira
ou falsa, por convenção:
Se a posição é verdadeira, ou se a chave estiver aberta e for acionada, ela terá o valor
binário 1.
Se a posição é falsa, ou se a chave estiver fechada e for acionada, ela terá o valor
binário 0.
Na eletrônica digital, são utilizados dois valores de tensão, os quais são denominados
nível lógico 0 e nível lógico 1, que correspondem também a ligado e desligado, verdadeiro e
falso. Por definição, o nível lógico 0, corresponde a tensões abaixo de 0,8 V e o nível lógico 1
as tensões acima de 1,9V.
Existem 3 funções lógicas básicas das quais surgem as demais:
- Função Lógica “E” ou “AND”:
Esta função irá acionar a saída com nível lógico igual a 1 somente quando todas as
entradas estivem com o nível lógico igual a 1 e pode ser comparado a dois interruptores
ligados em série. A figura 2.3 é um exemplo de uma porta lógica “E”: [3]
7
Figura 2.3: Representação de uma função E
- Função lógica “OU” / “OR”:
A porta lógica “OU” terá nível lógico 1 na saída se pelo menos uma das entradas
estiver no nível lógico 1 e pode ser compara à ligação de dois interruptores em paralelo. A
figura 2.4 é um exemplo de porta lógica “OU”.
Figura 2.4: Representação de uma função OU
8
- Função lógica “NÃO” / “NOT”:
A função lógica “NÃO” é de inversão ou negação, a qual estabelece que se NÃO A é
0, A será igual a 1, ou se NÃO A é 1, A será igual a 0. Portanto dizer não a uma dada
preposição implica em tornar a saída o oposto da condição estabelecida.
A Figura 2.5 é um exemplo de porta lógica “NÃO”: [3]
Figura 2.5: Representação de uma função NÃO
2.2 Automação Industrial – Pneumática
A existência física do ar, bem como a sua utilização como forma de energia é
reconhecida a milhares de anos. A palavra pneumática originou-se do idioma grego “pneuma”
que significa vento, respiração, e trata do comportamento dos gases.
A humanidade utiliza-se de fluidos sobre pressão a séculos, porem somente após a
Segunda Grande Guerra, o fluido passou a ser utilizado nos diversos ambientes industriais.
No Brasil, a grande aplicação e a difusão desta forma de energia começaram a ocorrer
a partir da década de 60, com a chegada ao país da indústria automobilística. A indústria
automobilística tinha a necessidade da fabricação de peças seriadas com grande número de
operações repetitivas. Estas operações acabavam gerando um custo muito alto no valor final
do produto, pois eram necessários muitos operários. Com a chegada da “automação
9
industrial” começou-se a reduzir o número de operários na indústria e conseqüentemente a
redução do custo do produto final.
A energia pneumática é obtida pela compressão do ar atmosférico, que é armazenado
em um reservatório. Essa compressão do ar atmosférico é realizada por um equipamento
chamado compressor. [4]
2.2.1 Automatismos:
Este nome dá-se aos meios, instrumentos, máquinas, processos de trabalho,
ferramentas ou recursos capazes de potencializar, reduzir ou eliminar as atividades realizadas
pelo homem para a realização de uma ou mais atividades produtivas, sendo obviamente
sempre em busca da redução dos custos produtivos.
Pode-se definir os automatismos em dois grandes grupos, os automatismos de potência
e os automatismos de guia:
- Automatismo de Potência: É focado em melhorar / potencializar as atividades físicas
ou mentais ao qual o homem está sujeito dentro do ambiente fabril, levando em consideração
a carga de trabalho a que o homem é exposto, reduzindo significativamente as possibilidades
de fadiga e problemas de saúde.
- Automatismo de Guia: É utilizado para guiar os movimentos e posicionamentos com
maior precisão, como dispositivos de montagens e operações de transformação mecânica.
Sabe-se também que automatizar um processo requer um estudo muito bem elaborado do
custo envolvido e real beneficio, lembrando também que muitas vezes, o custo para
automatizar parcialmente um processo (em torno de 30 a 50%) tem um custo muito menor
que automatizar o processo todo, isto tendo em vista a necessidade da produção diária ou ao
longo de um período. Portanto se faz necessário o estudo especifico de cada necessidade para
ter com clareza a relação custo e real beneficio.
2.2.2 Características da Pneumática:
A pneumática é constituída de elementos mais simples e de menor custo
comparativamente à hidráulica, sendo utilizada para inúmeros problemas de automatização.
Abaixo seguem as listas com as vantagens e desvantagens da utilização da
pneumática:
Vantagens:
- Quantidade ilimitada de fluido de trabalho (ar atmosférico).
- Transporte feito em tubulações sem a necessidade de retorno.
10
- Comprimido e armazenado em um reservatório que só é alimentado pelo compressor
quando a pressão interna, que é controlada por um pressostato, cai abaixo do valor que foi
definido.
- Temperatura de trabalho ambiente não necessitando uma tubulação isolada
termicamente.
- Segurança, devido à pressão de trabalho ser relativamente baixa (6 a 12 bar), caso
ocorra o rompimento de uma tubulação, um item de trabalho ou do reservatório não causaria
danos relativamente grandes.
- Sem risco de poluição ambiental.
- Elementos de comando relativamente menos robustos e mais leves devido à baixa
pressão de trabalho.
- Trabalho que permite alta velocidade de deslocamento
Desvantagens:
- Preparação do ar para sua utilização a fim de não deteriorar os componentes de
trabalho (limpeza, lubrificação, isentas de umidade e impurezas).
- Compressibilidade, que é uma característica não apenas do ar, mas de todos os gases,
faz com que na pneumática, o controle de posição e velocidade não seja preciso e constante
durante vários ciclos seguidos.
- Forças relativamente baixa em relação à hidráulica, devido à limitação da pressão de
trabalho.
- Escape de ar que gera ruídos. [2]
2.2.3 Base de Cálculos:
Para dimensionar os componentes pneumáticos dos equipamentos são utilizadas
fórmulas para o cálculo da força aplicada conforme a Equação 2 para cada atuador, e utilizase a Equação 1 calculo da velocidade de avanço e tempo gasto. [5]
-Tempo (s):
(Equação 1)
Onde:
t = tempo em [s]
V = velocidade [m/s]
11
C = curso [m]
- Pressão (N):
(Equação 2)
Onde:
P = pressão [bar]
A = área [cm²]
F = força [Kgf]
2.3 Processo:
O processo atual de colocação de vedante em tampas de galões de água mineral é
realizado manualmente, diferentemente do processo de colocação de vedantes em tampas de
garrafas PET, por exemplo, feito de modo automático.
2.3.1 Processo de colocação de vedantes em tampas de garrafas
PET:
O processo automático utilizado para colocação de tampas de garrafas PET é realizado
por uma máquina chamada Scoring-Liner. Esta máquina recebe as tampas plásticas por
tubulações aéreas de poliuretano transparente, sendo colocados os vedantes, feito o corte e o
lacre.
As tampas entram na guia do carrossel circular do equipamento Scoring e as
ferramentas, sempre ao pares, prendem as tampas e fazem o corte do lacre. Após feito o lacre,
as tampas são dispostas no carrossel da Liner onde é colocado o vedante, o material é préaquecido, cortado em pelotas (quantidade exata para forma um vedante) e lançado para o
fundo da tampa. Em seguida, as ferramentas comprimem as pelotas para que se espalhem
igualmente no fundo da tampa e formem o vedante. [6]
As Figuras 2.6 e 2.7 apresentam a foto do equipamento e a ilustração do processo
citado:
12
Figura 2.6: Equipamento Scoring-Liner [6]
Figura 2.7: Ilustração do processo de colocação de vedantes em tampas de garrafas pet.
13
2.3.2 Processo de colocação de vedantes em tampas de galões de
água.
Como citado anteriormente, o processo de colocação de vedantes em galões de água é
realizado manualmente e na maioria dos casos por mulheres, devido à maior sensibilidade
feminina para o processo, literalmente muito limpo e dedicado, embora, não existe restrição
nenhuma para homens realizarem esta atividade.
O vedante utilizado em tampas de galões de água é totalmente diferente do utilizado
em tampas de garrafas pet, ele tem característica esponjosa e é feito de liga com polietileno
branco com espessura padrão de 1,5 mm. O vedante tem um furo central para guiá-lo ao ser
colocado na tampa e garante que não se desloque ou escape no momento em que é colocada a
tampa no galão de água.
O processo de colocação de vedantes em tampas de galões de água é relativamente
simples em termos de operação.
O (A) operador (a) após passar por todo o processo de higienização pega o vedante
sobre a bancada e o posiciona sobre a tampa e com o auxilio dos dois dedos polegares insere o
vedante até o fundo da tampa, guiando o furo do vedante com as guias plásticas da tampa,
conforme Figura 2.8 ilustrando o passo a passo da colocação dos vedantes no processo atual.
Figura 2.8: Processo atual manual de colocação de vedantes em tampas de galões de
água.
O principal ganho deste processo é referente à produtividade que chega a 1500 tampas/
hora / operador, porem com risco de o operador ter uma lesão por esforço repetitivo.
2.4 Contaminação
A contaminação da água mineral pode gerar graves danos à saúde humana. Os danos
são causados devido à contaminação por diversos tipos de bactérias e substâncias, algumas
delas, como as bactérias pseudômonas, já foram encontradas em estudos realizados pela
14
organização não governamental (ONG) Americana Natural Resources Defense Council
(NRDC) em garrafões de água. Esta bactéria, por sua vez, não apresenta danos consideráveis à
saúde humana em uma pessoal saudável, mas em uma pessoa com a saúde comprometida
podem ocorrer diversas complicações. Uma das substâncias encontradas na água de garrafão
que é extremamente preocupante chama-se italalo, que é utilizada no processo produtivo dos
plásticos e gera grandes danos ao sistema endócrinos, que bloqueiam ou limitam os
hormônios e afetam as funções normais do corpo humano.
Os coliformes fecais também foram encontrados nos testes. Esse tipo de bactéria é
gerado pelo contato com fezes humanas, ou seja, contato de uma parte do corpo que não foi
corretamente higienizada e acabou sendo transferida para a água pelo contato direto com o
homem ou por intermédio do galão, tampa e vedante.
Atualmente para evitar ou reduzir ao máximo esse tipo de problema, é realizado um
procedimento para prevenção contra a contaminação nesse processo específico de colocação
de vedantes em tampas de galões de água mineral. Para que o operador esteja livre destas
bactérias são realizados os seguintes passos do processo de higienização antes de começar o
trabalho:
- Lavagem das mãos com sabonete bactericida e escova para as unhas.
- Passagem de creme bactericida.
- Colocação de jaleco, touca e máscara.
Estas atividades são realizadas para evitar que ocorra o contato direto com qualquer
parte do corpo humano evitando a contaminação por qualquer tipo de bactéria, porem não é
extremamente eficaz, pois o principal fator de controle é realizado pelo homem que está
sujeito à falhas. [7]
15
3
METODOLOGIA
3.1 Definição do projeto.
A definição de uma idéia e o desenvolvimento do projeto são as principais ferramentas
para a criação de uma solução que atenda a necessidade gerada para que seja solucionado um
problema ou melhorado um sistema de modo a alcançar um resultado significativo que
justifique o investimento. Este é o objeto de desafio entre os mais variados ramos da
automação, sempre objetivando algum retorno financeiro, social, ergonômico ou melhora do
produto final.
Apresenta-se a idéia e o desenvolvimento de um equipamento capaz de inserir
vedantes em tampas de galões de água mineral de modo que não haja o contado direto com as
mãos do homem, evitando uma possível contaminação e também após uma duplicação do
equipamento a substituição de uma mão de obra direta (MOD), proporcionando assim um
retorno financeiro e ergonômico com aumento da qualidade do produto final.
3.1.1 Descrição do funcionamento.
Com a idéia definida segue abaixo a descrição do funcionamento do equipamento:
1 -As tampas são alimentadas na esteira (provenientes do alimentados vibratório) até
atingir o cilindro de stop A.
2 –O cilindro de stop A libera a entrada da tampa no berço de inserção do vedante.
3 –O cilindro de inserção dos vedantes avança e alimenta com vedante a ferramenta de
inserção.
4 -O cilindro giratório (responsável pelo giro do cilindro de inserção) efetua o giro de
180°.
5 -O cilindro de inserção avança e insere o vedante na tampa.
6 -Após o retorno do cilindro de inserção dos vedantes o cilindro de stop de saída das
tampas recua e libera a saída da tampa com o vedante inserido.
7 -Cilindro de stop na saída das tampas na guia recua, voltando a máquina na condição
inicial.
16
3.1.2 Pré-Projeto – Prototipagem rápida:
Com a utilização da engenharia reversa pode-se desenvolver um projeto mais sólido,
partindo para as definições do projeto final a partir de simulações e teste do protótipo
desenvolvido, melhorando assim os pontos a serem alterados foram identificados, pois não
atingiam o resultado esperado.
Para o desenvolvimento deste projeto foi desenvolvido um pequeno protótipo
utilizando apenas alguns componentes tachados com principais do equipamento, que são: dois
atuadores pneumáticos, uma válvula geradora de vácuo, uma válvula direcional, uma ferramenta
de inserção e um berço “guia” para as tampas.
Seguem abaixo as Figuras 3.1 e 3.2, apresentando o protótipo desenvolvido.
Figura 3.1: Ciclo efetuado manualmente no protótipo.
Figura 3.2: Cilindro giratório de aletas e válvula geradora de vácuo.
17
Resultados e desempenhos dos componentes utilizados no protótipo:
- Atuador giratório:
O atuador giratório com aletas utilizado no protótipo mostrou-se ineficiente para a
realização do trabalho, pois, este tipo de cilindro que foi utilizado não garantia as posições
finais/inicias do dispositivo de inserção dos vedantes, tendo como necessidade a utilização de um
atuador mais robusto, como por exemplo, o atuador giratório com cremalheira e pinhão.
- Cilindro de cravamento:
O atuador de cravamento efetuou a inserção dos vedantes corretamente, porem as
mangueiras que fazem a ligação do vácuo na ferramenta de inserção começaram a enroscar
conforme o dispositivo efetua o giro, mostrando ser necessário a utilização de um cilindro com
guias anti-giro.
Ficou definido também que devido ao tempo de ciclo ser alto com apenas um cilindro de
cravamento que seria extremamente viável a utilização de dois cilindros de inserção dos vedantes,
desta maneira o tempo de inserção/alimentação dos vedantes iria reduzir em 50%.
- Válvula de vácuo:
A válvula geradora de vácuo apresentou um resultado eficiente para a aplicação, pois ao
cilindro efetuar o giro para posicionar o cilindro de inserção sobre a tampa o vedante não soltou
da face da ferramenta de inserção.
- Ferramenta de inserção dos vedantes:
Esta ferramenta teve um desempenho satisfatório, foi realizada apenas uma correção na
face de inserção dos vedantes, onde foi feito um chanfro de alívio para não marcar os vedantes ao
serem inseridos nas tampas.
- Berço de cravamento:
O berço utilizado foi feito em madeira e seu modelo atendeu a necessidade, porém foi
necessária a utilização de uma “tampa” em acrílico para funcionar como um sistema de pokayoke, quando a tampa se prendia na ferramenta de inserção.
3.1.3 Projeto – Desenvolvimento final:
A partir dos resultados obtidos da prototipagem o projeto foi desenvolvido com o
auxilio de um software de desenho (Auto CAD) e simulação / desenhos (Solid Works) para
garantir as dimensões dos componentes e prever as possíveis falhas.
Seguem abaixo as Figuras 3.3 a 3.7 dos desenhos do equipamento e seus
componentes:
18
Figura 3.3: Equipamento com atuadores avançados.
Figura 3.4: Equipamento com atuadores de cravamento recuados
19
Figura 3.5: Suporte do alimentador de vedantes.
Figura 3.6: Base feita em nylon para guia das tampas e fixação dos cilindros de
stop e tampa em acrílico com função de poka-yoke.
20
Figura 3.7: Ferramenta de nylon para a inserção dos vedantes com furos para
acoplamento do sistema de vácuo.
Estes desenhos foram embasados na prototipagem rápida e definições dos comerciais
componentes utilizados no desenvolvimento do projeto final do equipamento.
3.2 Ciclo do Equipamento, Atuadores e Programação CLP:
Identificação dos atuadores:
- Cilindro A: stop das tampas 1.
- Cilindro B: giro do dispositivo.
- Cilindro C: cravamento dos vedantes 1.
- Cilindro D: cravamento dos vedantes 2.
- Cilindro E: stop das tampas 2.
Na Tabela 3.1 abaixo, pode-se identificar os componentes e seus respectivos códigos
para a definição do ciclo a ser realizado.
21
Tabela 3.1: Identificação dos componentes e seus respectivos códigos no para definição
do ciclo do equipamento.
Segue abaixo a Tabela 3.2 que apresenta o ciclo completo do equipamento
contemplando os atuadores, sensores, válvulas e botões, com seus respectivos estados de
acionamento ligado/desligado (1 ou 0). Com esta tabela podemos definir o programa do CLP
que irá controlar o equipamento.
Tabela 3.2: Ciclo do equipamento e identificação dos componentes com seus respectivos
códigos.
PASSO
COMPONETES
CODIGO
AÇÃO
SINAL
1
BOTÃO START
SENSOR
SENSOR
PORTA
BT
STE
SV
PT
BOTÃO PULSO PARA INICIAR O CICLO DA
MAQUINA
SENSOR TAMPAS NA ESTEIRA DE ENTRADA
SENSOR DE VEDANTES NO ALIMENTADOR
PORTA SEMPRE FECHADA
1
1
1
2
VALVULA DE SOPRO
VALV. DO CILINDRO
SENSOR
SENSOR
VALV. DO CILINDRO
SENSOR
SENSOR
VALV. DO CILINDRO
SENSOR
SENSOR
VSP1
A
CA1
CA2
B
BA1
BA2
E
EA1
EA2
SOPRO PARA TAMPAS NA ESTEIRA DE ENTRADA
AVANÇA CILINDRO A
POSIÇÃO CILINDRO A AVANÇADO
POSIÇÃO CILINDRO A AVANÇADO
AVANÇA CILINDRO B
POSIÇÃO CILINDRO B AVANÇADO
POSIÇÃO CILINDRO B AVANÇADO
AVANÇA CILINDRO E
POSIÇÃO CILINDRO E AVANÇADO
POSIÇÃO CILINDRO E AVANÇADO
1
1
1
0
1
1
0
1
1
0
3
VALVULA DE VACUO 1 E 2
VC1 /
LIGA(SUCÇÃO DOS VEDANTES)
1
22
VC2
4
SENSOR
STB
CONTINUA O CICLO SE TIVER TAMPA
1
5
VALV. DO CILINDRO
SENSOR
SENSOR
VALV. DO CILINDRO
SENSOR
SENSOR
SENSOR
SENSOR
A
CA2
CA1
CeD
CC1
CC2
CD1
CD2
RECUA CILINDRO A
POSIÇÃO DO CILINDRO B RECUADO
POSIÇÃO DO CILINDRO B RECUADO
AVANÇA CILINDRO C e D
POSIÇÃO CILINDRO C AVANÇADO
POSIÇÃO CILINDRO C AVANÇADO
POSIÇÃO CILINDRO D AVANÇADO
POSIÇÃO CILINDRO D AVANÇADO
0
1
0
1
1
0
1
0
6
VALVULA DE VACUO 1
VC1
DESLIGA
0
7
VALV. DO CILINDRO
SENSOR
SENSOR
SENSOR
SENSOR
VALV. DO CILINDRO
SENSOR
SENSOR
CeD
CC2
CC1
CD2
CD1
E
CE2
CE1
RECUA CILINDROS C e D
POSIÇÃO DO CILINDRO C RECUADO
POSIÇÃO DO CILINDRO C RECUADO
POSIÇÃO DO CILINDRO D RECUADO
POSIÇÃO DO CILINDRO D RECUADO
POSIÇÃO DO CILINDRO E RECUADO
POSIÇÃO DO CILINDRO D RECUADO
POSIÇÃO DO CILINDRO D RECUADO
0
1
0
1
0
0
1
0
8
VAVULA DE SOPRO
VSP2
LIGA
1
9
SENSOR T
STB
CONTINUA O CICLO SE NÃO TIVER TAMPA
0
10
VAVULA DE SOPRO
VALV. DO CILINDRO
SENSOR
SENSOR
VALV. DO CILINDRO
SENSOR
SENSOR
VALV. DO CILINDRO
SENSOR
SENSOR
VSP2
A
CA1
CA2
B
CB2
CB1
E
CE1
CE2
DESLIGA
AVANÇA CILINDRO A
POSIÇÃO CILINDRO A AVANÇADO
POSIÇÃO CILINDRO A AVANÇADO
RECUA CILINDRO B
POSIÇÃO DO CILINDRO D RECUADO
POSIÇÃO DO CILINDRO D RECUADO
AVANÇA CILINDRO E
POSIÇÃO CILINDRO A AVANÇADO
POSIÇÃO CILINDRO A AVANÇADO
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
11
SENSOR
VALVULA DE VACUO 1
STB
VC1
CONTINUA O CICLO SE TIVER TAMPA(BERÇO)
LIGA
1
1
12
VALV. DO CILINDRO
SENSOR
SENSOR
SENSOR
SENSOR
CeD
CC1
CC2
CD1
CD2
AVANÇA CILINDROS C e D
POSIÇÃO CILINDRO C AVANÇADO
POSIÇÃO CILINDRO C AVANÇADO
POSIÇÃO CILINDRO D AVANÇADO
POSIÇÃO CILINDRO D AVANÇADO
1
1
0
1
0
13
VALV. DO CILINDRO
SENSOR
SENSOR
A
CA2
CA1
RECUA CILINDRO A
POSIÇÃO DO CILINDRO B RECUADO
POSIÇÃO DO CILINDRO B RECUADO
0
1
0
14
VALVULA DE VACUO 2
VALV. DO CILINDRO
SENSOR
SENSOR
VC2
E
CE2
CE1
DESLIGA
RECUA CILINDRO E
POSIÇÃO DO CILINDRO D RECUADO
POSIÇÃO DO CILINDRO D RECUADO
0
0
1
0
15
VALV. DO CILINDRO
CeD
RECUA CILINDRO C e D
0
23
SENSOR
SENSOR
SENSOR
SENSOR
CC2
CC1
CD2
CD1
POSIÇÃO DO CILINDRO C RECUADO
POSIÇÃO DO CILINDRO C RECUADO
POSIÇÃO DO CILINDRO D RECUADO
POSIÇÃO DO CILINDRO D RECUADO
1
0
1
0
16
VAVULA DE SOPRO
VSP
LIGA
1
17
SENSOR
STB
SENSOR DE PRESENÇA DE TAMPAS
0
18
VAVULA DE SOPRO
VSP2
DESLIGA
0
19
BOTÃO DE EMERGÊNCIA
BTE
DESLIGA TODO O EQUIPAMENTO
A partir da Tabela 3.2 que apresenta o ciclo efetuado passo a passo pelo equipamento
foi desenvolvido o programa no CLP.
Foi utilizado neste projeto um CLP da ZAP900 compacto da marca HI Technologia.
Este CLP tem um sistema de simples compreensão para ser programado e seu custo
extremamente reduzido em comparação com as principais marcas do mercado.
Para a programação foram utilizadas 12 entradas e 12 saídas na CPU do CLP, e no
desenvolvimento do programa foi utilizado o software SPDSW-Versão 2.5.05 dedicado para
este CLP.
Todas as entradas são digitais sem a utilização de entradas analógicas e o programa do
equipamento apresenta-se de forma cíclica desde que as condições de ciclo mínimas sejam
atendidas sendo: Presença de tampa, porta fechada e botão de emergência não acionado.
A programação final do equipamento é apresentada no anexo 1, e foi realizada com o
auxilio de um profissional que atua no desenvolvimento destes CLP’s da marca HI
Tecnologia.
3.2.1 Atuadores pneumáticos
No desenvolvimento deste projeto foram utilizados 5 atuadores pneumáticos conforme
descrito no ciclo do equipamento:
- 2 cilindros de para efetuar o cravamento dos vedantes. (Cravamento 1 e 2)
- 2 cilindros de stop para as tampas. (Stop 1 e 2)
- 1 Atuador de giro para os cilindros de cravamento. (Giro)
Para a melhor identificação de cada acionamento dos atuadores foi desenvolvida a
equação e de movimento e o diagrama de trajeto e passo dos atuadores utilizados:
24
Equação de movimento:
(A-B-E+) (A+C+D+) (C-D-E-) (A-B+E+) (A+C+D+) (C-D-E-)
Diagrama de trajeto e passo, Figura 3.8:
Figura 3.8: Diagrama de trajeto e passo dos atuadores pneumáticos
.
Os atuadores utilizados no projeto foram dimensionados conforme a necessidade para
suas aplicações. Para a definição dos atuadores foram considerados os seguintes fatores:
Curso ou grau de liberdade para o giro, força, velocidade de avanço, velocidade no retorno e
consumo de ar. Segue abaixo o dimensionamento dos atuadores, conforme necessidade e
disponibilidade comercial:
• Cilindro de giro do dispositivo de cravamento:
-180 graus de liberdade para atender a posição de trabalho dos cilindros de cravamento
que estão eqüidistantes.
25
- Flange para facilitar a fixação dos dispositivos, conforme Figura 3.9 abaixo
exemplificando a necessidade:
Figura 3.9: Desenho do atuador giratório com flange para
fixação do suporte dos cilindros de cravamento.
- Tempo de ciclo inferior a 2 segundos devido à cadência da máquina.
- Ajuste de amortecimento no fim de ciclo para garantir o correto posicionamento e
evitar “solavancos”.
- Trabalho em temperatura ambiente.
- Pressão de trabalho fornecido pela rede pneumática de 6 bar.
- Sem posição intermediaria.
- Baixa manutenção.
- Modelo de fácil fixação, conforme Figura 3.10, abaixo:
Figura 3.10: Fixação do atuador giratório e flange de fixação dos cilindros
de cravamento.
26
Foram levantados dentre varias opções dois modelos de atuadores giratórios:
1- Atuador com aleta giratória.
2- Atuador giratório com cremalheira e pinhão.
Para este projeto foi utilizado o atuador giratório com cremalheira e pinhão devido ao
tempo de ciclo inferior a 2 segundos, baixo índice de manutenção e forma geométrica
retangular facilita a sua fixação.
Definições comerciais:
- Atuador giratório:
- Diâmetro de 32 mm com tempo de ciclo inferior a 2 segundos conforme Figura 3.11,
ilustrativa do gráfico abaixo, onde a linha traceja e ponto refere-se ao cilindro de 180°.
Figura 3.11: Gráfico do tempo de ciclo do cilindro giratório com embolo com 32 mm de
diâmetro e 180° entre posição final e inicial.
- Rotação máxima de 180° sem posição intermediaria.
- Conexão pneumática rosca de 1/8”.
- Pressão de trabalho de 1 a 10 bar.
- Detecção para sensor magnético.
- Amortecimento no fim de curso.
- Flange de fixação.
Referência para compra do atuador giratório comercial da marca festo:
Modelo: DRQD-32-180-PPVJ-A-FW.
27
Segue abaixo a Figura 3.12 ilustrativa do atuador giratório utilizado:
Figura 3.12: Atuador giratório com flange.
•
Cilindros de stop das tampas:
- Curso superior a 58 mm para fazer o stop das tampas no guia, conforme Figura 3.13,
que demonstra a largura da guia das tampas.
Figura 3.13: Vista frontal do guia da tampa.
- Força de avanço/retorno baixíssima, função de stop das tampas no sentido radial ao
embolo.
- Sem amortecimento no final do avanço/retorno.
- Sem controle anti-giro devido utilização de travas de alumínio que farão o stop das
tampas no guia e não permitiram o giro do embolo.
- Pressão de trabalho fornecido pela rede pneumática disponível 6 bar.
- Embolo magnético para sensoriamento das posições finais de avanço/retorno.
- Aste galvanizada para evitar processo de corrosão.
28
- Rosca externa melhor fixação.
Para os cilindros de stop das tampas foram utilizados dois cilindros convencionais
idênticos de dupla ação, pois os cilindros de simples ação têm o curso reduzido e não
atenderiam a necessidade do projeto.
Definições comerciais encontradas:
- Cilindro de dupla ação.
- Embolo de 32 mm.
- Curso de 80 mm.
- Aste com rosca externa M10 x 1,25.
- Conexão 1/8’’.
- Pressão operacional 1 a 10 bar.
- Velocidade de avanço= 0.056m/s
- Calculo do tempo de ciclo: t = 1.42 segundos.
- Detecção para sensor magnético.
- Temperatura de trabalho -20°C...+80°C.
Referência para compra dos cilindros de dupla ação comercial da marca festo:
Modelo: DSNU-32-80
Segue abaixo a Figura 3.14 da foto ilustrativa do atuador utilizado:
Figura 3.14: Foto ilustrativa do cilindro pneumático de stop das tampas.
•
Cilindros de cravamento dos vedantes nas tampas:
- Curso superior a 50 mm para cravar o vedante na tampa e ao retornar atingir a
altura mínima suficiente, ficando assim livre do guia e da tampa de acrílico para
29
efetuar o giro sem o risco de colisão com os itens fixos, a Figura 3.15 abaixo
exemplifica a necessidade do curso mínimo necessário:
Figura 3.15: Desenho ilustrativo feito em Auto CAD do curso mínimo necessário.
- Definição da força de avanço necessária para cravar o vedante:
Força de cravamento conforme os testes experimentais têm o valor aproximado de
40 N, suficientes para inserir o vedante no fundo da tampa.
Para este atuador foi utilizado com diâmetro do embolo 20 mm, com força no
avanço/retorno de 141 N, estando muito acima do necessário, devido aos cilindros desta
família com embolo de menos diâmetro não atendem o curso mínimo necessário, como
30
exemplo o mesmo cilindro com embolo de ∅16 mm tem o curso máximo de 46 mm, não
atingindo a necessidade.
- Amortecimento no final do avanço/retorno para garantir a posição final.
- Cilindro anti-giro para evitar um possível rompimento das mangueiras e conexões da
ferramenta de inserção, conforme Figura 3.16, abaixo:
Figura 3.16: Cilindro com guias integradas anti-giro.
- Pressão de trabalho fornecido pela rede pneumática disponível 6 bar.
- Embolo magnético para sensoriamento da posição final de avanço/retorno.
- Haste galvanizada com rosca externa.
- Tempo de avanço/recuo inferior a 2 segundos.
Para os cilindros de cravamento das tampas foram utilizados dois cilindros
normalizados com guias integradas para garantir que não ocorra o giro da haste, ambos
idênticos de dupla ação com aste e guias galvanizadas.
Definições comerciais encontradas:
- Cilindro de dupla ação.
- Embolo de ∅20mm.
- Curso de 51 mm.
- Conexão pneumática rosca fêmea M5.
- Amortecimento nas posições finais
- Flange para fixação e haste passante.
- Conexão 1/8’’.
- Pressão operacional 1 a 10 bar.
- Velocidade de avanço = 0.045m/s
- Calculo do tempo de ciclo: t = 1,13 segundos.
31
- Detecção para sensor magnético.
- Temperatura de trabalho -20°C ...+80°C.
Referência para compra dos cilindros de dupla ação normalizados com guias
integradas da marca festo:
Modelo: ADNFG-20-51-P-A-S2
A Figura 3.17 abaixo apresenta o modelo comercial que foi utilizado:
Figura 3.17: Foto ilustrativa do cilindro pneumático com guias integradas.
3.2.2 Válvulas pneumáticas e diagrama pneumático dos atuadores.
Para o acionamento dos cilindros pneumáticos, válvulas de vácuo e bico de expulsão
das tampas foram utilizadas válvulas pneumáticas. Estas válvulas são utilizadas para fazer a
alternância na direção do ar comprimido e comandar o acionamento dos componentes
conforme as saídas do programa do CLP.
Para uma redução no custo dos componentes a serem comprados e tendo em vista a
aplicação das mesmas foram utilizadas válvulas pneumáticas simples solenóide e retorno por
mola, sendo:
- 1 válvula utilizada em comum para os cilindros de cravamento.
- 1 válvula para o cilindro de stop 1.
- 1 válvula para o cilindro de stop 2.
- 1 válvula para o cilindro giratório.
- 1 válvula para o bico de expulsão das tampas.
- 1 válvula para sopro na alimentação das tampas.
- 1 válvula para vácuo 1.
32
- 1 válvula para vácuo 2.
Para definição das válvulas a serem utilizadas após a definição do ciclo do
equipamento foi projetado o digrama pneumático com os atuadores que serão necessários para
efetuar o ciclo. A designação dos componentes pneumáticos no diagrama foram identificados
por algarismos da seguinte forma:
-Elementos de trabalho. (1.0; 2.0; 3.0;...).
-Elementos de comando (1.1; 2.1; 3.1;...).
Na Figura: 3.18 abaixo temos o diagrama pneumático do equipamento responsável pelo
acionamento dos atuadores do equipamento:
Figura 3.18: Diagrama pneumático do equipamento.
Conforme o diagrama pneumático será utilizado 4 válvulas 4/2 vias e 4 válvulas 3/2
vias:
Necessidades:
- Válvulas compactas
- Baixo custo
- Bobina integrada para redução de espaço.
- Disposição em uma única base para manter o alinhamento e facilitar a fixação.
- Led indicativo de válvula ligada.
- Alimentação 24 volts.
- Pressão de trabalho de 6 bar fornecido pela rede.
33
Conforme as necessidades citadas acima foram definidas as válvulas comercias que
podem ser fixadas a uma base chamada de minifold facilitando a fixação e disposição das
mesmas. Pressão pneumática alimenta um único ponto na base minifold que distribui a
pressão da rede para as oito válvulas utilizadas.
Características construtivas das válvulas pneumáticas comerciais:
Válvulas para os cilindros de stop, giro e cravamento (4 válvulas):
- Válvula 4/2 vias;
- Simples solenóide;
- Tensão 24 v;
- Retorno por mola;
- Conexão de 6 mm;
- Pressão de trabalho 2 à 8 bar;
- Simbologia;
Referência para compra das válvulas pneumáticas da marca festo:
Modelo: VUVB-S-M42-A-Q6-1-C1
Válvulas para o vácuo e sopro das tampas: (4 válvulas):
- Válvula 3/2 vias;
- Simples solenóide;
- Tensão 24 v;
- Retorno por mola;
- Conexão de 6 mm;
- Pressão de trabalho 2 à 8 bar;
- Simbologia;
Referência para compra das válvulas pneumáticas da marca Festo:
Modelo: VUVB-S-M32C-A-Q6-1-C1
34
3.2.3 Válvulas de vácuo
As válvulas geradoras de vácuo tem grande utilidade em manipuladores para a
movimentação de peças, caixas, e componentes utilizados nas mais diversas montagens e
transporte.
Para alimentar o vedante na face das ferramentas de inserção do vedante nas tampas
foram utilizadas duas válvulas geradoras de vácuo, sendo uma para cada ferramenta de
inserção.
Necessidades para as válvulas geradoras de vácuo:
- Sucção suficiente para prender o vedande na face da ferramenta de inserção.
- Suportar o giro dos cilindros de cravamento sem se soltar.
Segue abaixo a Figura 3.19 6 detalhe ilustrando o dispositivo de cravamento com o
vendante preso em sua face.
Figura 3.19 – Dispositivo de cravamento com o vedante.
Conforme os testes realizados com a prototipagem rápida foi utilizada uma válvula
geradora de vácuo pelo principio de venturi sendo extremamente compacta e de baixo custo.
Esta válvula utilizada na prototipagem mostou-se extremante eficiente para a situação
aplicada.
Segue abaixo a Figura 3.20 da válvula geradora de vácuo utilizada na prototipagem
rápida e que será aplicada no projeto final do equipamento.
35
Figura 3.20: Válvula geradora de vácuo.
Especificações técnicas comerciais para a compra das válvulas geradoras de vácuo:
- Principio de funcionamento por venturi.
- Conexão pneumática 8 mm.
- Conexão de ar comprimido e vácuo deslocadas 90°.
- Pulso ejetor de acionamento pneumático.
Referência para compra das válvulas de vácuo da marca Festo:
Modelo: VAD-ME-I-1/4
3.3 Sensores
Utilizados para identificar as posições iniciais, intermediarias e finais nos atuadores
pneumáticos, e para identificar a existência ou não dos componentes, os sensores são de
grande importância para garantir o correto ciclo do equipamento, identificando as posições
criticas necessárias para definição da lógica de programação.
Tendo em vista a necessidade do sensoriamento dos atuadores e da presença de tampas
no berço de inserção foram levantadas as necessidades abaixo:
Cilindros de cravamento, giro e stop:
- Sensor indutivo.
- Atuação em proximidade.
- Encaixe “T” .
- NA (Normal aberto).
Conforme sensores encontrados comercialmente, segue as especificações técnicas
utilizadas no desenvolvimento do projeto:
- Sensor de proximidade.
- Encaixe de ranhura “T”.
36
- Contato NA.
- Cabo 5 metros.
- LED.
- Tensão 24vcc.
Segue as especificações comercias para a compra de sensores da marca Festo:
SME-8-LED-24
Presença de tampas no berço:
- Sensor Indutivo
- Rosca M8
- NA (Normal aberto)
Conforme sensores encontrados comercialmente, seguem as especificações técnicas
utilizadas no desenvolvimento do projeto:
-Sensor indutivo
-Distancia de operação 2 mm
- Rosca M8x1
Segue as especificações comercias para a compra de sensores da marca Balluf:
Modelo: BES-516-324-G-S 49-C
3.4 Alimentação das tampas na esteira.
Para aumentar a viabilidade do equipamento foi proposta a utilização de um
alimentador vibratório de tampas de galões de água, reduzindo ainda mais o contato dos
componentes do processo visando a não contaminação dos mesmos.
Este tipo de alimentador é muito utilizado nas indústrias que fazem o envamento da
água nos galões, tornando este alimentador um item comercial.
O alimentador vibratório projetado para este equipamento tem a capacidade de
disponibilizar até 3100 tampas / hora na esteira de entrada do equipamento, sendo acima do
necessário, pois o equipamento tem a capacidade de inserir aproximadamente 750
vedantes/hora, e visando uma possível ampliação do equipamento e baixa diferença no custo
relacionado à quantidade de tampas/hora que o alimentador é capas de dispor na esteira de
saída.
Segue abaixo a Figura 3.21, ilustrativa do alimentador vibratório utilizado e a Figura
3.22 do alimentador acoplado ao equipamento.
37
Figura 3.21: Foto ilustrativa do alimentador vibratório.
Figura 3.22: Equipamento com alimentador vibratório acoplado.
38
4 RESULTADOS
Este projeto é o resultado da aplicação da automação para o desenvolvimento de novas
tecnologias e maquinas capazes de suprir a necessidade de homens para melhorar cada vez
mais as condições de trabalho, reduzir os custos produtivos e principalmente a qualidade do
produto final.
Em todas as etapas no desenvolvimento deste projeto foram realizadas visando atingir os
objetivos das reais necessidades, desde a prototipagem rápida, desenhos em CAD, desenhos
Solid Works até a definição dos componentes.
Segue abaixo as Figuras 4.1 a 4.5 ilustrando o equipamento concluído:
Suporte dos vedantes.
Atuador giratório.
Cilindro de cravamento D.
Cilindro de cravamento C.
Cilindro de stop A.
Cilindro de stop de saída
Berço de inserção
das tampas.
dos vedantes.
Guia de entrada das
tampas.
Figura 4.1: Indicação dos componentes.
39
Guia de saída
das tampas.
Alimentador
vibratório de tampas
Balde de tampas
com vedante
inserido.
Figura 4.2 Equipamento efetuando ciclo.
Figura 4.3: Vista geral interna do equipamento.
40
Figura 4.4: Vista lateral esquerda do equipamento.
Figura 4.5: Vista frontal do equipamento.
A definição da altura e largura do equipamento resultou em um posto de trabalho com
tamanho compacto e pontos de alcance de operação dentro dos padrões segundo o ponto de
vista ergonômico, atendendo assim também a necessidade da eliminação dos movimentos
repetitivos efetuados no processo manual segue abaixo a Figura 4.6, apresentando a altura e
largura do equipamento.
41
Figura 4.6: Equipamento com as principais dimensões. (escala em mm)
4.1 Solução para risco de contaminação.
Devido à eliminação do contato manual dos operadores com as tampas e vedantes, o
equipamento apresenta-se eficiente nestes quesitos, aumentando assim a qualidade do produto
e a garantia de um produto dentro das especificações para que não haja contaminação.
4.2 Apresentação do estudo dos tempos do equipamento:
Analisando os tempos dos 5 atuadores foi desenvolvido um estudo para analise do
tempo de ciclo final do equipamento, contemplando todos os acionamentos e
desacionamentos dos atuadores, conforme apresentado abaixo a Tabela 4.1 com os estudos
dos tempos do equipamento.
42
Tabela 4.1 Estudo de tempo do equipamento de inserção.
Conforme os resultados apresentados na tabela acima conclui-se que o equipamento
será inviável na questão da redução de uma mão de obra direta, pois seu tempo de ciclo é
quase o dobro do tempo que um operador leva para efetuar o processo de inserção dos
vedantes, podendo assim ressaltar a possível duplicação do equipamento para atender o
objetivo de redução de uma mão de obra direta.
4.3 Lista de peças e valores de mercado.
A Tabela 4.2 abaixo apresenta custo total do equipamento estimado, onde foram
listadas as peças utilizadas e seus respectivos custos com base nos valores encontrados no
mercado, à época da conclusão desta monografia. Esta também apresenta o custo de mão de
obra técnica para efetuar a programação do CLP e montagem mecânica.
43
Tabela 4.2: Componentes do equipamento com seus respectivos códigos comerciais e
custo para compra.
44
5 CONCLUSÃO:
Este projeto resultado da aplicação da automação voltada para a solução dos
problemas gerados no processo manual de colocação de vedantes em tampas de galões de
água mineral. As atividades desenvolvidas foram feitas de forma a tornar a monografia
interressante, levando em conta principalmente às decisões próprias e as necessidades
especificas do processo.
A utilização da prototipagem rápida foi de suma importância para o desenvolvimento
inicial do projeto, identificando os principais problemas do equipamento relacionados aos
componentes e tempo de ciclo dos atuadores.
Com o desenvolvimento deste projeto conclui-se de modo geral, que para a realização
da inserção dos vedantes em tampas de galões de água isento de contaminações, e redução
dos esforços repetitivos o dispositivo é extremamente eficaz, porém, para reduzir uma mão de
obra direta o projeto apresentou um problema gerado relacionado ao tempo de ciclo do
equipamento, que é duas vezes maior que o processo manual, no entanto este é um problema
solucionável.
5.1
Extensão
Devido o equipamento não suprir a necessidade de redução de uma mão de obra, pode-
se fazer uma duplicação do equipamento, atendendo assim a necessidade, sendo:
Números de produção:
Equipamento Automático:
- tempo de ciclo = 5.16 segundos
- 700 tampas/h
Operação manual:
-1400 a 1500 tampas/h
- tempo de ciclo = 2.5 segundos.
Equipamento Duplicado:
- tempo de ciclo 2.58
- 1400 tampas / h.
45
Para justificar o investimento da duplicação para eliminação de uma mão de obra
direta, foi realizado o cálculo de pay-back, apresentando um resultado satisfatório e aceitável:
Investimento = R$ 18000,00
Custo operacional de R$2000,00 / mês.
Sendo assim o retorno do investimento realizado em 1,5 anos.
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Anexo 1 – Programação do CLP HI
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Referências Bibliográficas
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Érica; 2001; 229 p.
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215 p.
[3] FIALHO. Arivelto Bustamante; Automação Pneumática; 4ª edição; Editora Érica; 2006;
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[5] NATALE Ferdinando; Automação Industrial; 1ª edição; São Paulo: Editora Érica; 1995;
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Garrafa Pet 2006. 33f. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Mecânica), PUC, São
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[7] SELEÇÕES. Contaminações. URL:
http://www.selecoes.com.br/revista/3341/Agua-mineral-de-garrafa-os-perigos-dacontaminacao.html. Recuperado em: 25/05/2009.
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Bibliografia consultada
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http://www.festo.com.br/catalago. Recuperado em: 25/09/2009.
GIECK, Kurt. Manual de Formulas Técnicas.29 ed. São Paulo: Hemus,2001.