Protótipo de Célula de Marcação e Manipulação de peças plásticas.

FAPEN ON-LINE. Ano 2, Volume 10, Série 13/10, 2021.

Professores da FAPEN do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial.

Orientadores do Projeto.

Claudenir Tersetti, Marcos Fernandes de Souza, Solange Damaceno,
Thiago Abraao dos Anjos da Silva, Vander Lunardelli, Vlamir Belfante.

Alunos da FAPEN do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial.

Autores do Projeto.

Aldo Dams, Diego Wesley, Eduardo Fernando Gomes, Genilton da Silva Carvalho, Pedro Henrique Gomes Santana,

Rodrigo Fernandes da Silva, Vilson Alves de Souza.

RESUMO: O Protótipo de célula de marcação e manipulação de peças plásticas é um projeto com o intuito de demonstrar o processo de marcação através de uma fresa em pequenas peças plásticas. A máquina é equipada com dois motores de 12 Vcc responsáveis pelo funcionamento de suas mesas rolantes, que se locomovem em X e Y. Além disso, também conta com um braço articulado responsável por locomover a peça plástica que será gabaritada até a mesa rolante, este braço utiliza uma válvula comutadora, que é responsável por permitir a vazão do fluido sob pressão por diferentes vias. A peça é apanhada através de um pistão pneumático equipado com uma ventosa responsável por pegar o objeto e transportá-lo de A até B. Depois de feita a marcação, a mesa rolante se locomove novamente ao seu ponto de partida até que chegue a uma distância razoável para que o braço pegue novamente o objeto e o leve ao ponto de partida, que é seguro para que alguém o possa pegá-lo.

PALAVRAS-CHAVE: Máquina, Braço, Funcionamento.

 

ABSTRACT: The Prototype Plastic Marking and Handling Cell is a design to demonstrate the marking process by milling small plastic parts. The machine is equipped with two 12 Vdc motors responsible for running its moving tables, which move in X and Y. In addition, it also has an articulated arm responsible for moving the plastic part that will be molded to the treadmill; this arm uses a switch valve, which is responsible for allowing the flow of fluid under pressure by different routes. The part is picked up by a pneumatic piston equipped with a suction cup responsible for taking the object and transporting it from A to B. After marking, the treadmill moves back to its starting point until it reaches a distance. It is reasonable for the arm to pick up the object again and take it to the starting point, which is safe for anyone to pick up.

KEYWORDS: Machine, Arm, Working.

 

1. INTRODUÇÃO.

Para aumentar a produtividade e a qualidade dos serviços e produtos, começaram a estudar investir e aplicar, em um conceito, chamado célula de produção. Um exemplo histórico da produção celular foi no início do século XX, onde Henry Ford aplicou esse conceito, nas linhas de montagem do Ford T. (NERIS E SILVA, 2014, p2).

Com um braço articulado e uma mesa de dois eixos, é posicionado manualmente peças em formato de cubo ou paralelepípedo em ponto fixo fora da mesa para que o braço articulado possa coletar e transportar o mesmo até o ponto zero do sistema de marcação.

Após essa ação de pick and place a mesa trabalhará em X e Y para levar a peça até uma ponta metálica que fará marcações em baixo relevo simulando um processo de identificação para rastreabilidade.

Esse sistema será integrado utilizando motores de 12Vcc para mesa, fins de curso mecânico para status de posição e presença, botões para acionamento e um CLP Rockwell Micrologix 1000 (ROCKWELL AUTOMARION, 2021).

Uma fresadora é categorizada como vertical e horizontal.

Existem muitas tarefas que uma máquina de fresagem pode executar como moldar, perfurar e rotear entre outros.

Embora esta máquina seja mais comumente usada para moldar metais, outros materiais sólidos também podem ser moldados.

Na fabricação, uma das máquinas-ferramentas mais importantes é a fresadora.

“Basicamente, é usada na moldagem de materiais sólidos, especificamente metais. Mais do que qualquer outra coisa, a fresadora é usada na moldagem de superfícies planas e irregulares. Além desta função principal, a máquina de fresar também pode realizar outras tarefas, tais como perfuração, roteamento, planejamento, engrenagens de corte e produção de ranhuras entre outros” (MECÂNICA INDUSTRIAL, 2021).

 

2. DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO DESENVOLVIDO.

O protótipo de célula de manipulação e marcação de peças plásticas, é um projeto com inspiração sistemas robotizados, células de manipulação industrial.

A ideia de desenvolver um projeto que replica esses equipamentos, em dimensões aceitáveis para o ambiente estudantil de uma faculdade, surgiu após a apresentação de uma bancada com uma mesa móvel que estava disponível para melhorias.

Como o nosso projeto não dispunha de documentação mecânica em 3D e precisamos fazer as devidas indicações de instalação dos equipamentos, desenvolvemos um layout funcional, conforme figura 1.

Como a estrutura da bancada, assim como a mesa e seus elementos de apoio e movimentação, já estavam em estágio avançado, nós partimos para o desenvolvimento da parte elétrica do projeto, componente fundamente para o bom funcionamento da mesa de maneira automática.

Incluímos quatro sensores fins de curso nas quatro extremidades da mesa para termos os status de posições máxima, instalamos quatro válvulas pneumáticas, uma na base do braço, para que ele pudesse se movimentar em um ângulo de 90°, do ponto de “pega” do objeto até o ponto de “dispensa” na mesa móvel, uma segunda válvula para movimentar um cilindro instalado na extremidade do braço principal que por sua vez dispunha de uma ventosa que trabalha em conjunto com uma válvula geradora de vácuo que é o elemento responsável por mandar a peça estável durante o tempo de movimenta do braço e por um instalamos outra válvula em braço fixo aproximadamente no centro da mesa. Nesse braço também instalamos um pistão que é responsável por ele a ferramenta na altura certa para marcar a peça.

Aplicamos os nossos conhecimentos em desenvolvimentos de projetos elétrico junto de um software especialmente dedicado para desenvolvimento de documentações elétricas e pneumática, o software Eplan P8, para documentar as instalações que já estavam feitas na bancada, assim como os novos elementos que foram necessários incluir.

Fizemos todas as ligações elétricas necessárias, para que fosse possível realizar a programação do CLP.

Nos utilizamos uma CLP da Allen-Bradley, modelo Micrologix 1000, conforme figura 2, utilizamos a lógica de programação Ladder, umas das, se não a mais comum para esse tipo de programação.

Utilizamos o padrão de programa “linha a linha” mais conhecido como ladder,  uma forma simples de programar que é muito semelhante a conceitos de comando elétricos, como pode ser visualizado na figura 3.

3. METODOLOGIA DE PESQUISA.

Em agosto de 2019, o docente responsável, Vander Lunardeli, nos apresentou proposta de trabalhos que poderiam ser desenvolvidos, um deles era uma bancada com dois eixos de movimentação, desenvolvida pelo módulo de mecânica.

Feito a escolha da bancada, começamos a pesquisar equipamentos de referência.

As nossas referencias foram robôs industriais e células robotizadas.

Apesar da nossa proposta ser a manipulação de pequenas peças plásticas, o braço que faz a operação de “pick and place” faz referência a necessidade de empresar de cerâmica, por exemplo, que precisam manipular peças de grandes dimensões, e muitas vezes, com peso elevado.

O segundo braço, que pode suportar uma ferramenta de marcação, como uma fresadora, partiu da referência de células robotizadas de usinagem.

No nosso projeto, os braços não são articulados, o que nos fez buscar referência em mais um equipamento, que são as fresadoras que bancada, onde a ferramenta é um elemento fixo e uma “mesa móvel” conduz a peça por todo o processo de modelagem.

Analisando esses equipamentos, chegamos na conclusão de “replicá-los” no nosso protótipo.

 

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES.

No primeiro semestre de 2019, iniciamos as atividades no projeto de uma banca que se movimenta em X e Y remanescente de semestres anteriores, projeto que posteriormente chamaríamos “Protótipo de Célula de Marcação e Manipulação de Peças Plásticas”.

Nesse semestre, o módulo de mecânica, fizemos um levantamento das necessidades de melhorias mecânicas que o equipamento precisaria.

De imediato verificamos que o conjunto mecânico dos motores estava em pleno funcionamento, mas com as engrenagens e correstes expostas, o que pela norma regulamentadora NR-12 não é permitido, visto que esse pode ser considerado um ponto de esmagamento de membros daqueles que possam vir a operar o equipamento.

Visto isso, providenciamos dois conjuntos de proteção em policarbonato transparente, para que esses elementos fossem protegidos e assim eliminamos esses pontos de risco de acidente.

Como já tínhamos planejado incluir nesse equipamento um braço que pudesse movimentar peças até a parte móvel da bancada, instalamos uma placa de madeirar na lateral esquerda da bancada original, como um “extensor”, para que esse braço pudesse ser instalado futuramente.

No semestre seguinte, o módulo de automação industrial, começo a fazer as avaliações necessárias para a automatização do sistema. Instalamos dois braços fixos, uma na extensão da bancada e outro no meio da região da mesa móvel, um cilindro em cada um dos braços e uma válvula simples solenoide para operar cada um desses cilindros, uma válvula simples solenoide na base do braço instalado na parte estendida da bancada, para que o braço que faz a pega da peça possa realizar um momento de ¼ de círculo (90°) do ponto de partida fixo até a mesa móvel.

No cilindro instalado no braço posicionado na extensão da bancada, instalamos uma ventosa associada a uma válvula geradora de vácuo para que a peça permaneça fixa durante o movimento de “pick and place”.

No cilindro instalado no braço que está na região móvel da bancada, instalamos um sistema que possa receber uma fresadora ou um marcador para realizar na peça a inscrição desejada. Instalamos 4 sensores fins de curso do tipo rolete com hastes nas exterminada da bancada móvel para que pudemos ter os status de posição dos equipamentos e assim acionarmos o modo reverso dos motores.

Ou seja, com as melhorias que fizemos nesse módulo, as marcações a serem feitas nas peças só poderiam ser executas com base nas distâncias de movimentação máxima da mesa, sem a possiblidade de um ajuste fino para medidas diferentes.

Para que todos esses equipamentos pudessem operar e ser controlador, desenvolvemos um novo painel para a nossa aplicação, isso porque o painel que todos nós desenvolvemos no primeiro módulo do curso tem como função operar um sistema genérico em partida direta.

Projetamos e montamos um painel com CLP para controle da nossa bancada com um CLP da Allen-Bradley, modelo Micrologix 100 para captação e tratamento dos sinais da peça.

Um CLP com limitação de 16 entradas e 8 saídas.

Com o painel montado, todos os elementos instalados e devidamente ligados, começamos a fazer as programações de adequações.

Nesse momento, identificamos um problema em um dos fusos da bancada, ele apresentava uma leve curvatura que por sua vez limitava a velocidade da mesa além de causar um esforço adicional no seu motor de operação.

O resultou na queima do motor sobrecarregado.

Visto que essa variação era pequena, mais o fato da sua troca implicar em gastos adicionais, naquele momento, que onerariam o nosso projeto, optamos por instalar na ponta do eixo do motor um espaçador, e colocar outro motor de “spare part” que tínhamos disponível para que a operação voltasse ao normal e o esforço no motor diminuísse para assim prosseguirmos com o desenvolvimento.

Feito essas adequações finalizamos as atividades desse semestre e apresentamos o nosso trabalho no Work Shop da Fapen, a última apresentação e modificação que trabalhamos.

No semestre seguinte, o quarto módulo do curso, tínhamos como premissas a correção definitiva com relação a curvatura do fuso, faríamos a troca da peça, a instalação de proteções de acrílico ou policarbonato entorno de toda a bancada, criando uma espécie de grade, de forma que apenas a região de entrada e saída de peça seria acessível por meio de uma pequena porta monitorador por um sensor.

Essas proteções nos possibilitariam iniciar uma adequação do projeto a NR-12, a norma que regulamenta a segurança no trabalho em máquinas e equipamentos.

Apesar do nosso protótipo não operar em capacidade de produção, onde acidentes de colisão e/ou esmagamento poderiam ser severamente danosos, mas por fazer alusão a um equipamento de produção, proteger as partes móveis do sistema e instalar equipamentos que nos permitam monitorar a operação e manuseio de peças no protótipo, como uma pequena porta de acesso com possibilidade de trava e monitorada por um sensor de segurança, é uma ação necessária.

Outra ideia de melhoria para o nosso projeto é a de monitorar a temperatura do fresador ou marcador a ser instalado na mesa juntamente de um sistema supervisório para monitoramento de todo o processo.

Essa melhoria consiste na instalação de um sensor de temperatura na região do marcador que fica em contato com a peça, associado a um controlador de temperatura, para monitorarmos se durante o regime de trabalho a ferramenta não excede o nível de temperatura aceitável.

Com isso tanto a ferramenta poderia ter a sua vida útil prolongada, quanto a peça não correria riscos de dano por falhas no processo.

Sendo assim, desenvolvemos um sistema supervisório com o software Elipse Scada que demonstra essa ideia, nesse momento apenas com a teoria do monitoramento de temperatura.

Contudo, as premissas para o primeiro semestre de 2020 não puderam ser realizadas, porque cerca de 5 semanas após o início das aulas, o acesso a faculdade, assim como ao nosso projeto, foi impossibilitado devido as restrições necessárias por conta da pandemia de COVID-19.

 

5. CONCLUSÃO.

Quando nos foi sugerido dar continuidade no projeto, tivemos que fazer manutenções tanto mecânicas quanto elétricas, para validar a viabilidade dos equipamentos.

Com o auxílio de todos os integrantes do grupo, materiais como ventosas, fins de curso, espaçadores e cabos, não disponíveis no início das atividades foram adquiridos e integrados ao sistema.

A experiência profissional dos integrantes da equipe e os conhecimentos adquiridos nos dois semestres que antecederam esse trabalho foram muito valiosos para o bom desenvolvimento das modificações e implementações necessárias no equipamento, assim como os conhecimentos das matérias de lógica, programação e instrumentação que nos ajudou a desenvolver o software e especificar os equipamentos de automação empregados.

Esses conhecimentos, assim como o pronto auxílio do nosso orientador, foram de suma importância para a solução de problemas como troca de motor, especificação de equipamento para o ajuste no alinhamento do fuso e redimensionamento de equipamentos pneumáticos.

Assim sendo, com todo o esforço e determinação empregado para aprimorar esse trabalho pretendemos sugerir uma aplicação simples e eficaz para atividades de manipulação de pequenas peças.

 

6. REFERÊNCIAS.

BRASIL. SISTEMA LADDER. Disponível em: < https://www.coladaweb.com/matematica/sistema-metrico-decimal> Consultado em 23/05/2021.

BRASIL. O QUE É FRESADORA. Mecânica Industrial. Disponível em: <https://www.mecanicaindustrial.com.br/o-que-e-fresadora/> Consultado em 23/05/2021.

BRASIL. UNIDADES DE MEDIDA. Essel Engenharia. Disponível em <https://essel.com.br/cursos/material/01/CalculoTecnico/aula1b.pdf> Consultado em 23/05/2021.

BRASIL. TIPOS DE EIXOS. CRV Industrial. 14 nov. de 2017. Disponível em <http://www.crvindustrial.com/blog/tipos-de-eixos> Consultado em 23/05/2021.

BRASIL. LINGUAGEM LADDER: City Systems. Disponível em <https://www.citisystems.com.br/linguagem-ladder/> Consultado em: 23/05/2021.

BRASIL. IHM. Wonderware. Disponível em <https://www.wonderware.com/pt-br/hmi-scada/what-ishmi/> Consultado em: 23/05/2021.

BRASIL. IHM Homem-Máquina, Máquina-Homem. LCDS. Disponível em <https://www.lcds.com.br/blogger/ihm-homem-maquina/>. Consultado em: 23/05/2021.

BRASIL. Sistemas de controlador lógico programável MicroLogix 1000. Rockwell Automation. Disponível em <https://bit.ly/3yTPNee> Consultado em: 01/06/2021.

BRASIL. O que são sistemas supervisórios? Elipse Knowledgebase. Disponível em <https://kb.elipse.com.br/o-que-sao-sistemas-supervisorios/> Consultado em: 23/05/2021.

BRASIL. O que é fresadora. Mecânica Industrial. Disponível em <https://www.mecanicaindustrial.com.br/o-que-e-fresadora/> Consultado em: 23/05/2021.

NERIS, Johnatan Oliveira; SILVA, Rodrigo Avelino da. CÉLULA AUTOMATIZADA PARA A MARCAÇÃO E FURAÇÃO DE BIELAS. FACULDADE DE TECNOLOGIA GARÇA. Disponível em <https://bit.ly/3hIz4V4> Consultado em: 23/05/2021.

 

7. AGRADECIMENTOS.

Agradecemos aos nossos colegas de grupo, convivemos intensamente durante os últimos anos, pelo companheirismo e pela troca de experiências que me permitiram crescer não só como pessoa, mas também como profissionais.

Aos nossos colegas de turma, pessoas que mesmo não seguindo conosco até o final, passaram por nossas vidas marcando nossa trajetória, agradecemos por compartilharem conosco tantos momentos de descobertas e aprendizado e por todo o companheirismo ao longo deste percurso.

A todos os alunos da nossa turma, pelo ambiente amistoso no qual convivemos e solidificamos os nossos conhecimentos, o que foi fundamental na elaboração deste trabalho de conclusão de curso.

Ao professor Vander, que além de confiar a nos esse projeto que estava sobre sua tutela, nos amparou em todos os momentos de dificuldade técnica, nos auxiliando constantemente nas etapas de programação e disponibilizando materiais, que se nos comprássemos, demandariam muitos recursos financeiros dos nossos orçamentos pessoais.

Ao professor Thiago, por nos iniciar no universo da coleta de apresentação de dados em softwares de desenvolvimento de supervisórios e ainda por nos guiar com muito foco e eficácia no desenvolvimento teórico do nosso projeto.

 

8. SOBRE OS AUTORES.

Aldo Dams trabalha há 28 anos em empresas automotivos na área de solda. As opções são muitas. Para montagem de autopeças está entre um dos ramos que oferece uma grande quantidade de vagas para soldador. No setor automobilístico. É necessário que o soldador esteja preparado para trabalhar em conjunto com a tecnologia. Tem que estar preparado para lidar com novidades e inovações do setor.

Diego Wesley de Barros trabalha em empresa do ramo metalúrgico, na função de operador de máquina e prensista. trabalhou durante 12 anos como Encanador Industrial, desenvolvendo tubulações.

Eduardo Fernando Gomes trabalhou 15 anos na empresa Toledo do Brasil, como auxiliar e supervisor na área de montagem de sistemas atualmente sou corretor imobiliário. No seu tempo livre produz conteúdo nas páginas do Instagram que gerencia.

Genilton da Silva Carvalho trabalha a 14 anos em empresas do ramo metalúrgica na área da mecânica de montagem, desenvolvendo instalações industriais e montagens em geral. Trabalhou como ajudante de montagem, montador de estruturas e há 9 anos exerce a função de líder operacional. Nessa função é responsável pela distribuição das atividades, controle da produtividade, segurança da equipe e qualidade na entrega.

Pedro Henrique Gomes Santana é responsável pelo cadastro, atualização, análise e qualidade de todos os certificados de calibração emitidos pela empresa, de acordo com a normas e metodologias da empresa e do Inmetro. Responsável pelo cadastro e adequação do Escopo de Calibração da empresa e de todas suas unidades do Brasil

Rodrigo Fernandes da Silva é Técnico em Automação Industrial formado pelo SENAI, trabalha no setor de engenharia como projetista elétrico há 10 anos com empresar do setor de autopeças. Como projetista, trabalhou com desenvolvimento de painéis para comando, controle e potência e nos últimos 5 anos, com desenvolvimento de projetos de sistemas automatizados e robotizados para soluções de soldas, manipulação e usinagem.

Vilson Alves de Souza trabalha a 20 anos como eletricista de manutenção, formado técnico em mecatrônica, com especialização em comandos elétricos e CLP.