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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
PROJETO CONCEITUAL DE UMA CÉLULA DE MANUFATURA
PARA PRODUÇÃO DE VEÍCULOS DE MADEIRA EM ESCALA
REDUZIDA
Disciplina: CCA99002 – Projeto I
Porto Alegre, Dezembro de 2009.
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Módulo Supervisório
Arthur Diehl Braz
Elizandro Garcia Roos
Mateus Eduardo Henz
Módulo de Armazenamento
Alan Fachim
João Ricardo Cardoso
Módulo de Pintura
Giorgio André Guerra Rigoni
Gustavo Rodrigues Gonçalves da Silva
Rodrigo Lautert Hamester
Módulo de Identificação
Camilla Lima Florence
Diogo Vinícius Campezatto
Marcelo Scomazzon
Módulo de Posicionamento e
Transporte
Augusto dos Santos Raimundo
Vítor Tumelero Valente
William Klein Oliveira
Módulo de Montagem
Arthur Santariano Trojahn
Lecio Cavalcanti Mendonça
Matheus Giaretta
Orientados por
Profº. Drº. Rafael Antônio Comparsi Laranja
Profº. Drº. Renato Ventura Bayan Henriques
Disciplina: CCA99002 – Projeto I
Porto Alegre, Dezembro de 2009.
RESUMO
Este trabalho visa o projeto conceitual de uma célula de manufatura a qual é dividida
em módulos: supervisório, armazenamento, pintura, identificação, posicionamento e
transporte e montagem. Cada um dos módulos é apresentado em conjunto com as
possibilidades de ferramentas e materiais para a execução das tarefas propostas. Os produtos
finais da célula serão caminhões ou ônibus de madeira. A escala dos veículos será reduzida. O
objetivo é introduzir e desenvolver conceitos de controle e automação. Ao final, são
apresentadas as opções que melhor atendem os requisitos
Palavras-chave: célula de manufatura, controle e automação, linha de montagem
ABSTRACT
The present work seeks the developing of a conceptual project of a manufacturing cell
which is separate in modules: Scada, storage, painting, identification, transport and
positioning and assembly. The end product could be a truck or a bus, both wooden and in
reduced scale. In order to accomplish the proposed tasks, this work was composed by a study
of possibilities to obtain the expected result. As main goals, this project intends to develop
concepts in control and automation area. At its end, the possibilities with more chance of
success are presented.
Keywords: manufacturing cell, control and automation, assembly lines
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Arquitetura mestre-escravo. Profibus. ......................................................... 13
Figura 2 - Gabarito de recolhimento. ........................................................................... 21
Figura 3 - Gabarito de transporte de peças pretas. ....................................................... 22
Figura 4 - Sistema de posicionamento de peças. ......................................................... 23
Figura 5 - Sistema para armazenamento de peças coloridas. ....................................... 23
Figura 6 - Modelo de célula para armazenamento final. .............................................. 24
Figura 7 - Ponte em formato 'H' para pintura de peças pretas. .................................... 26
Figura 8 - Pórtico para pintura de peças coloridas. ...................................................... 27
Figura 9 - Equipamento para secagem de peças. ......................................................... 28
Figura 10 - Fluxograma geral do processo de identificação. ....................................... 29
Figura 11 - Plataforma de montagem. .......................................................................... 35
Figura 12 - Desenho esquemático de uma cartucheira de parafusos. .......................... 36
Figura 13 - Vista superior do chassi de montagem. ..................................................... 38
LISTA DE ANEXOS
Anexo I- Exemplo de arquitetura desenvolvida no Elipse E3. .................................... 45
LISTA DE APÊNDICES
Apêndice I - Diagrama exemplificativo de fluxo de dados entre os módulos. ............ 46
Apêndice II - Fluxograma do funcionamento do sistema de manufatura. ................... 46
Apêndice III - Especificações básicas de componentes de montagem ........................ 47
Apêndice IV - Tabela de custos para módulo de identificação. ................................... 47
Apêndice V – Esquemático do caminhão. ................................................................... 48
Apêndice VI - Esquemático do ônibus. ....................................................................... 50
SUMÁRIO
1. Introdução ............................................................................................................ 9
1.1. Objetivos ....................................................................................................... 9
2. Revisão Bibliográfica ......................................................................................... 11
2.1. Manufatura .................................................................................................. 11
2.2. Redes Industriais ......................................................................................... 11
2.2.1. Profibus ................................................................................................... 12
2.3. Sistemas Supervisórios ............................................................................... 13
2.3.1. Elipse E3.................................................................................................. 13
2.3.2. Procify iFix .............................................................................................. 14
2.3.3. InTouch ................................................................................................... 14
2.4. Pintura ......................................................................................................... 14
2.5. Visão da Máquina ....................................................................................... 15
2.5.1. Captação de Imagens ............................................................................... 15
2.6. Processamento de Imagens ......................................................................... 15
2.6.1. Processamento Ponto-a-Ponto ................................................................. 15
2.6.2. Processamento por Máscara .................................................................... 16
2.7. Sistemas Robóticos ..................................................................................... 16
2.8. Sensores ...................................................................................................... 16
2.9. Posicionamento e Transporte ...................................................................... 17
3. Metodologia ....................................................................................................... 18
3.1. Módulo Principal ........................................................................................ 18
3.1.1. Sistema Supervisório ............................................................................... 18
3.1.2. Fluxo de Dados ........................................................................................ 18
3.1.3. Protocolo de Comunicação ...................................................................... 20
3.2. Módulo de Armazenamento ....................................................................... 21
3.2.1. Célula de Armazenamento de Peças Pretas ............................................. 21
3.2.2. Célula de Armazenamento de Peças Coloridas ....................................... 23
3.2.3. Célula de Armazenamento Final ............................................................. 24
3.3. Módulo de Pintura ...................................................................................... 25
3.3.1. Pintura por Imersão – Peças Pretas ......................................................... 25
3.3.2. Pintura por Spray – Peças Coloridas ....................................................... 26
3.3.3. Secagem................................................................................................... 27
3.4. Módulo de Identificação ............................................................................. 28
3.4.1. Fluxograma Geral .................................................................................... 28
3.4.2. Materiais e Métodos ................................................................................ 29
3.5. Módulo de Posicionamento e Transporte ................................................... 30
3.5.1. Transporte: Primeira Etapa ...................................................................... 31
3.5.2. Transporte: Segunda Etapa ...................................................................... 31
3.5.3. Posicionamento: Primeira Etapa ............................................................. 31
3.5.4. Posicionamento: Segunda Etapa ............................................................. 32
3.5.5. Posicionamento: Terceira Etapa .............................................................. 32
3.5.6. Estrutura .................................................................................................. 34
3.5.7. Comunicação ........................................................................................... 34
3.6. Módulo de Montagem................................................................................. 34
3.6.1. Plataforma de Montagem ........................................................................ 34
3.6.2. Posicionamento das Rodas ...................................................................... 35
3.6.3. Posicionamento dos Parafusos ................................................................ 36
3.6.4. Controle de Estoque ................................................................................ 36
3.6.5. Movimento de Fixação ............................................................................ 37
3.6.6. Pré-Montagem ......................................................................................... 37
3.6.7. Montagem ................................................................................................ 38
3.6.8. Eliminação de Resíduos .......................................................................... 39
4. Resultados e Discussões..................................................................................... 40
5. Conclusões ......................................................................................................... 41
6. Referências ......................................................................................................... 43
ANEXOS ..................................................................................................................... 45
APÊNDICES ................................................................................................................ 46
9
1. INTRODUÇÃO
No mundo moderno, o controle e automação de processos vêm se tornando uma área
de engenharia muito estudada e cujo desenvolvimento está em constante crescimento. Porém,
pelo fato de o conceito abranger várias áreas do conhecimento, os profissionais envolvidos
necessitam desenvolver um raciocínio mais amplo e aberto a diferentes idéias. Com base
nisto, universidades de todo o país estão buscando se adaptar a esta nova realidade de
profissional de engenharia.
Este novo perfil de engenheiro deve ter conhecimento de mecânica, eletrônica,
elétrica, informatização de sistemas, além de adquirir a capacidade de aplicar suas idéias em
projetos desde sua proposta até a sua realização.
Com base nisso, a disciplina de Projeto I – CCA99002, da Universidade Federal do
Rio Grande do Sul, pretende abordar estas questões e contribuir para o desenvolvimento
intelectual dos alunos. Para isso, neste primeiro momento, é proposto um projeto de caráter
conceitual de uma célula de manufatura, totalmente automatizada, dividida em seis módulos:
supervisório, armazenamento, pintura, identificação, posicionamento e transporte e, por fim,
montagem. Os produtos finais dessa célula de manufatura são dois tipos de veículos de
brinquedo: ônibus e caminhões, ambos montados a partir de peças de madeira. Os módulos
devem se encaixar uns nos outros de modo a constituir uma linha de montagem completa.
1.1. Objetivos
Com a proposta de desenvolver a célula de manufatura, a qual é dividida em módulos,
vem-se neste trabalho realizar um estudo sobre as características principais desejadas de cada
um deles, bem como apresentar idéias para solução dos problemas encontrados.
Para o módulo supervisório pode-se destacar o estudo sobre os diversos protocolos de
comunicação existentes, a fim de escolher aquele que mais se adapta ao sistema como um
todo; analisar as ferramentas de interface homem-máquina existentes e; definir o fluxo de
informações que trafegam entre módulos.
Com respeito ao módulo de armazenamento abordam-se, principalmente, métodos de
armazenagem de peças brutas para que estas sejam encontradas em uma quantidade razoável
na célula. Ainda, deseja-se que sejam encaminhadas para o módulo seguinte da maneira que
mais for útil para ele. Como a linha de montagem é automatizada espera-se, ainda, que este
10
módulo seja capaz de controlar o estoque de peças a fim de evitar que a produção seja
interrompida por falta de material. Logo, pesquisar-se-á métodos para controle de quantidade
de peças utilizando principalmente sensores.
Para o módulo de pintura, deseja-se que o veículo seja pintado de acordo com as
solicitações do usuário. Para tanto, espera-se encontrar um método para garantir uma pintura
satisfatória bem como garantir que o processo não exerça influência nos demais módulos da
célula.
Sobre o módulo de identificação espera-se que este seja capaz de identificar possíveis
falhas na pintura das peças bem como ajudar auxiliar o módulo de montagem para a
certificação do correto posicionamento das peças no instante do seu encaixe no veículo final.
Uma análise sobre métodos de processamento de imagens será feita.
O módulo de posicionamento e transporte necessita, principalmente, deslocar material
entre os módulos. Ainda, deseja-se que este módulo execute o correto posicionamento das
peças no momento da sua montagem. Abordam-se métodos para transporte de peças e
ferramentas para posicionamento.
Para o módulo de montagem, deseja-se uma correta montagem das peças para se obter
um produto de ótima qualidade e aparência. De acordo com estes objetivos, ferramentas de
pequena incerteza e cujo controle deve ser possível são necessárias.
11
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Manufatura
Nos últimos anos, as mudanças ocorridas no mundo todo tais como a expansão da
informática, as novas tecnologias, estas cada vez mais sofisticadas e que ocupam menor
espaço com maior capacidade, e a exigência de excelência em produtos, fez com que as
empresas necessitassem passar por uma modernização. Os princípios fundamentais de escala
de produção e linhas de produção foram gradativamente sendo substituídos por outros mais
modernos.
Desde alguns anos atrás, mesmo grandes até pequenas empresas vêm procurando
automatizar seus processos de manufatura, buscando uma maior competitividade no mercado.
O sucesso do empreendimento depende do grau de automatização à que será submetido todo o
processo de produção do produto [1].
Neste contexto, vem crescendo a utilização de sistemas robóticos para a realização de
tarefas específicas no âmbito da produção industrial. As vantagens, neste caso, são
numerosas: o aumento da produtividade em decorrência da não necessidade de interrupção do
processo; o melhor acabamento final do produto; a dependência mão-de-obra especializada,
entre outros [2].
Portanto, conceitos como o da automação e do controle de processos se encaixa
perfeitamente nesse contexto.
2.2. Redes Industriais
Em um ambiente industrial é necessária a comunicação entre CLP´s - equipamentos
responsáveis pela lógica e controle - e os dispositivos de entrada e saída existentes no chão de
fábrica, tais como sensores e atuadores. Essa troca de informações é crítica, logo deve ser
rápida, segura e determinística, ou seja, sem variações e incertezas comumente encontradas
em redes comerciais. Para solucionar esse problema surgiram as redes industriais.
Antigamente o protocolo industrial mais usado era o 4-20ɱA, que representava um
sinal através de variações na corrente. Contudo, na década de 80, começaram a surgir sensores
digitais inteligentes, os quais motivaram a criação de um padrão de rede otimizado para esses
tipos de dispositivos. Porém devido à diversidade de interesses de várias empresas, e por já
existirem alguns sistemas digitais na época, não foi possível estabelecer um único padrão.
12
Atualmente existe uma grande variedade de padrões de protocolo para redes
industriais, abrangidos pelo termo fieldbus (barramento de campo), sendo alguns dos mais
amplamente utilizados: AS-Interface, Profibus, Devicenet, CAN, Fieldbus Foundation,
HART, Modbus, entre outros.
Uma das principais vantagens de uma rede digital de barramento é o menor custo com
fiação, pois em uma rede fieldbus vários pontos podem ser interligados por um único par
trançado ou fibra ótica.
2.2.1. Profibus
Segundo a Associação Profibus [8], o Profibus é o protocolo de campo mais
amplamente utilizado mundialmente. Estima-se que mais de 30 milhões de dispositivos
estejam em funcionamento atualmente.
Existem duas variações do protocolo Profibus: o Profibus-DP, utilizado em sistemas
discretos e; o Profibus-PA, para controle de processos. Para o projeto em questão o protocolo
que se aplica é o primeiro, e será discutido nesta seção.
O Profibus-DP (Decentralized Peripherals, ou periféricos descentralizados) é usado
pra operar sensores e atuadores através de um controlador centralizado. São possíveis
velocidades de até 12 Mbit/s utilizando par trançado e/ou fibra ótica. Ainda segundo [7], o
meio físico mais usado é o par trançado de cobre blindado, utilizando tecnologia de
transmissão RS-485, o que permite alta taxa de transmissão aliada a baixo custo e fácil
manutenção. Velocidades entre 9.6 kbit/sec e 12 Mbit/sec podem ser selecionadas, porém
todos os dispositivos devem operar a uma única velocidade escolhida na inicialização do
sistema. O comprimento máximo dos cabos entre dois repetidores fica entre 100 e 1200 m,
dependendo da velocidade.
Quanto ao número de dispositivos e topologia, o protocolo permite a conexão de até
32 pontos em cada segmento, sendo possível estender esse limite para o total de 126 pontos
com o uso de repetidores. Os equipamentos se comunicam entre si de acordo com uma
arquitetura mestre-escravo, podendo existir mais de um mestre por barramento.
Quando há mais de um mestre, é usado um sistema de token, no qual apenas um mestre por
vez possui o direito de utilizar o barramento, e pode enviar e receber comandos aos escravos.
Já os escravos somente podem receber comandos, e enviar respostas a um mestre quando
forem requisitados. Pode-se observar na Figura 1 abaixo um esquema ilustrativo:
13
Figura 1 - Arquitetura mestre-escravo. Profibus.
Normalmente esse processo de troca de mensagens entre mestre e escravos é constante
e funciona de forma cíclica. Porém há a possibilidade de utilização de comandos acíclicos, tal
como alarmes e comandos de configuração, de prioridade mais baixa, independentemente das
funções cíclicas.
2.3. Sistemas Supervisórios
Apesar de o processo de manufatura ser projetado para ser um processo automatizado,
podem ocorrer falhas e para isso é preciso monitoramento constante. Neste contexto, buscou-
se entender o funcionamento de alguns dos softwares SCADA (Supervisory Control And Data
Acquisition) disponíveis no mercado, a fim de se achar a melhor solução para o
desenvolvimento de um sistema supervisório para a célula de manufatura em questão.
Segundo [11], o termo SCADA se refere a sistemas de supervisão controle e aquisição
de dados, monitorados e controlados por um ou mais computadores. Alguns dos sistemas
supervisórios SCADA comumente utilizados são: Elipse, da ElipseSoftware; iFix, da GE;
InTouch, da Wonderware; e WinCC, da Siemens.
O sistema supervisório é um sistema de hardware e software que permite ao operador
obter informações em tempo real de um processo [7]. Realizando-se uma análise dos
softwares disponíveis no mercado, foi possível realizar um levantamento das principais
características de alguns deles.
2.3.1. Elipse E3
Segundo [10], o Elipse E3 é um software SCADA, utilizado para monitorar, controlar
ou rastrear, de forma on-line, um processo produtivo ou instalação física. O Elipse E3 é capaz
de se comunicar com diversos equipamentos de supervisão e controle, entre eles estão os
CLPs (Controladores Lógicos Programáveis), UTRs (Unidades Terminais Remotas), módulos
14
de aquisição de dados, medidores de energia, controladores de demanda, entre outros, através
de diversos meios físicos de comunicação, como Ethernet TCP/IP, Ethernet UDP/IP, RAS
(Remote Access Server), RS 232/485/422 e USB. O Anexo I mostra um exemplo de
arquitetura que pode ser desenvolvida com o Elipse E3.
O Elipse E3 baseia-se no conceito de exibição de sinóticos (telas gráficas para
supervisão e controle), que permitem a criação de animações relacionadas a variação de dados
recebidos ou enviados. Para isto são disponíveis a utilização de formas geométricas,
formulários e imagens, simples ou vetoriais. Também possui ferramentas de geração de
relatórios, verificação de alarmes e eventos, armazenamento histórico e execução de código
desenvolvido pelo usuário.
2.3.2. Procify iFix
O Proficy iFix é uma solução IHM/SCADA com arquitetura distribuída baseada em
cliente/servidor. É utilizado em aplicação de automação com funções otimizadas para
ambientes grandes de produção.
Entre as principais características do iFix estão a arquitetura distribuída baseada na
tecnologia cliente/servidor e um alto nível de segurança, com rastreamento completo de
eventos e opção de integração com o sistema de segurança do Windows®. O iFix também é
compatível com o padrão OPC DCOM e com a tecnologia Terminal Server, e possui
integração com bancos de dados relacionais.
2.3.3. InTouch
O InTouch é uma das ferramentas SCADA mais populares no meio industrial, ele
oferece todos os recursos típicos para a construção de telas de operação e supervisão de
processos industriais, tais como telas de sinópticos, gráficos de tendência, telas de alarmes,
etc. Segundo [11], o InTouch possui uma interface homem-máquina mais simples de ser
configurada, comparada com outros sistemas.
2.4. Pintura
Ao deparar-se com que tinta usar no módulo, foi orientada a utilização de tinta PVA,
pois é vendida em uma emulsão em água, portanto atóxica e inerte, e ainda pode ser usada em
aerógrafos [1]. Sua secagem é simples, uma vez que não precisa preocupar-se com exaustão
de gases, nem com geração de centelha na cabine de pintura, justamente pelo fato do solvente
ser água.
15
Além disso, o acetato de polivinila (PVA) possui temperatura de transição vítrea entre
18°C e 45°C, ou seja, uma temperatura fácil e relativamente segura de se atingir.
Já na forma de aplicação da tinta na madeira, foi indicado o uso de aerógrafos, que são
minipistolas de tinta, alimentadas por ar comprimido, disparadas por um gatilho. Eles fazem a
mistura de ar-tinta e lançam uma névoa em forma de cone, quando acionados. Alguns
modelos permitem o uso de mais de um canal de alimentação de tinta, o que possibilita o uso
de mais cores no mesmo aerógrafo, economizando equipamento.
2.5. Visão da Máquina
Com relação à visão da máquina, temos que levar em conta os seis fatores abaixo:
a) Sensoriamento: É o processo de captação da imagem.
b) Pré-Processamento: Consiste no melhoramento de detalhes.
c) Segmentação: Definição do objeto de interesse.
d) Descrição: Descrição da forma e tamanho das peças (cada peça terá sua
própria descrição).
e) Reconhecimento: Processo de identificação das peças.
f) Interpretação: Fornecimento de significados aos dados analisados.
2.5.1. Captação de Imagens
A captação de imagens pode ser feita através de câmeras analógicas e digitais. Se for
analógica, necessita de um mecanismo de digitalização. A forma digital, normalmente tem
conexão direta com o computador.
2.6. Processamento de Imagens
As técnicas de processamento de imagens têm o objetivo de preparar a imagem para
uma análise posterior. Elimina erros ou informações desnecessárias, mas sem extrair detalhes
pertinentes a mesma.
Existem dois tipos de técnicas para a análise de imagens: processamento ponto-a-
ponto e processamento por máscara.
2.6.1. Processamento Ponto-a-Ponto
Com essa técnica analisa-se apenas o pixel em questão, ignorando a vizinhança.
Baseia-se em analisar o nível de cinza e comparar com um limiar pré-estabelecido. Se o pixel
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tiver um valor associado para este ponto maior que esta constante, ele é definido como ligado
e, caso contrário, desligado. Isto transforma a imagem numa matriz binária.
2.6.2. Processamento por Máscara
Com essa técnica a análise passa a ser realizada não só no pixel, mas também em sua
vizinhança unitária. Com isto, pode-se implementar filtros passa-baixa (suavização da
imagem) e filtros passa-alta (realce de regiões de alto contraste).
2.7. Sistemas Robóticos
Segundo [4], robô industrial é um manipulador com várias funções, programável e
reprogramável, projetado para movimentar matérias ou ferramentas para o desempenho de
várias tarefas.
O principal fator que impede a adoção imediata desse tipo de equipamento é o seu alto
custo inicial [2]. Muitas vezes, o tempo gasto para recuperar o investimento, o qual é
influenciado por outros fatores como os custos de compra, manutenção e instalação, vai
depender da finalidade do robô e da capacidade de produção do ambiente em que ele
trabalhará.
Porém, pode-se levar em conta diversos outros fatores como a redução de custo com
recursos humanos, horas extra, e encargos que empregados acabam por gerar.
Um robô industrial pode ser descrito pela junção de vários componentes: um
manipulador mecânico; atuadores sejam eles hidráulicos pneumáticos ou eletromagnéticos;
sensores; unidades de controle; unidades de potência e; efetuador. [3][4]
2.8. Sensores
Sensores são a forma mais prática e direta de se obter informações sobre o estado de
um robô, de uma tarefa ou de alguma grandeza física como velocidade, aceleração, posição,
etc. [1][2][3]
Os sensores podem ser separados em dois grandes grupos: os internos com a função de
retornar informações sobre o próprio equipamento; e os externos com a função de retornar
informações sobre o que está acontecendo ao redor do equipamento.
Este trabalho não se aprofundará no estudo de sensores. Porém, pode-se encontrar nas
referências aqui citadas informações mais concretas sobre os vários tipos de sensores e suas
diversas aplicações no ramo da engenharia e robótica.
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2.9. Posicionamento e Transporte
Com relação à estrutura que conterá o sistema robotizado, pode-se dizer que a mesma
deve ser planejada de acordo com as suas finalidades. Segundo [5], um detalhado esboço de
um novo equipamento deve ser planejado antes de sua produção começar.
Algumas empresam utilizam o modelo de agrupamento de equipamentos por classe.
Ou seja, os equipamentos destinados a uma mesma área devem ter uma finalidade semelhante.
Equipamentos que não são específicos, ou seja, aqueles que podem executar diversas tarefas
acabam por ter um controle mais complexo, dificultando assim a sua instalação e manutenção,
assim como o planejamento da planta.
Ainda de acordo com [5], uma linha de produção deve seguir um padrão progressivo
de dificuldade da montagem.
Seguindo esta linha de pensamento, a estrutura sobre a qual é montado um
equipamento deve preencher os requisitos de segurança, viabilidade econômica, atendimento
das exigências mínimas, além de promover o correto desenvolvimento do produto até o
mesmo estar pronto para comercialização. Sobre o posicionamento e transporte de materiais, é
relevante citar que a principal forma de controle dar-se-á através dos sensores instalados na
estrutura. Estes, em conjunto com atuadores, são responsáveis pelas movimentações e ajustes
finos.
18
3. METODOLOGIA
A pesquisa elaborada na revisão bibliográfica em paralelo com o levantamento das
necessidades a serem atendidas foi o ponto de partida do projeto.
3.1. Módulo Principal
3.1.1. Sistema Supervisório
O supervisório será implementado utilizando o software Elipse E3 em um PC
industrial com Windows®, o qual irá se comunicar com o CLP principal, transferindo
informações de baixa e de alta prioridade.
O software Elipse E3 foi escolhido pelos seguintes fatos: poder se comunicar com
diversos equipamentos de aquisição de dados; possuir compatibilidade com os meios físicos
de comunicação desejáveis; possuir diversas funções para o desenvolvimento de aplicações e
supervisão de processos e; ser um software brasileiro.
O sistema permite ao usuário acompanhar o processo de produção da fábrica através
de simulações. Futuramente; o sistema será capaz de mostrar ao usuário, além de uma visão
geral do processo da célula, uma visão macro de cada módulo, podendo visualizar e até
mesmo interferir, no acionamento de todos os sensores e atuadores que estão realizando
alguma tarefa específica.
Além de servir como um meio de visualização dos eventos do chão de fábrica, o
sistema futuramente deverá ser capaz de gerar relatórios e alarmes, e permitir que o usuário
tome decisões relevantes sobre o processo de produção.
3.1.2. Fluxo de Dados
Durante todas as etapas do processo de produção existe uma comunicação contínua
entre o módulo principal e os demais módulos. Em cada módulo, existe a necessidade de
receber específicas informações de entrada, e apresentar resultados de saída. Abaixo são
apresentados os dados disponíveis a cada módulo através do módulo principal, e as
informações que cada módulo deverá gerar. Um diagrama identificando de forma resumida as
informações trocadas entre os módulos pode ser visualizado no Apêndice I.
19
3.1.2.1. Usuário
O usuário deverá informar ao módulo principal as características do produto que ele
deseja receber:
Tipo: caminhão ou ônibus;
Cor: deverá ser definida a cor da carroceria do ônibus e do caminhão, e da
caçamba do caminhão, as demais peças serão produzidas na cor preta;
Quantidade: número de produtos produzidos;
O módulo principal deverá informar ao usuário o status do processo de fabricação e
uma estimativa de tempo de conclusão.
3.1.2.2. Armazenamento
Caberá ao módulo de armazenamento controlar a quantidade de peças em estoque e
disponibilizar ao processo de fabricação as peças solicitadas pelo módulo principal.
O módulo de armazenamento deverá informar ao módulo principal a quantidade de
peças disponíveis de cada tipo, para que este possa fazer uma estimativa de quantos produtos
ainda podem ser produzidos com as peças disponíveis em estoque. Porém caberá ao módulo
de armazenamento o gerenciamento da reposição de peças e o controle da quantidade do
estoque.
O módulo principal deverá informar ao armazenamento a quantidade e o tipo de peças
necessárias para a produção do pedido feito pelo usuário, sem que o módulo de
armazenamento se importe com o tipo do produto final, apenas disponibilize as peças
solicitadas.
3.1.2.3. Pintura
O módulo de pintura é responsável por realizar a pintura de cada peça de acordo com
as solicitações feitas pelo módulo principal. Ele deverá informar ao módulo principal o status
do processo, enviando um sinal quando a peça já estiver completamente pintada e seca.
O módulo principal deverá informar ao módulo de pintura especificações do processo
como a cor e o tipo da peça, sem que o módulo de pintura se preocupe com o produto ao qual
ela pertence.
3.1.2.4. Posicionamento e Transporte
O módulo de posicionamento e transporte é responsável pelo deslocamento das peças
entre os módulos e o posicionamento final para montagem. Cabe a ele informar ao módulo
20
principal a localização da peça e o status do posicionamento final para que o módulo principal
autorize o início da montagem.
Caberá ao módulo principal informar a próxima localização da peça, e repassar as
coordenadas para o posicionamento final antes da montagem.
3.1.2.5. Identificação
O módulo de identificação é responsável por identificar cada peça entre os processos e
informar o tipo da peça e o produto ao qual ela pertence. Também é dever da identificação,
informar o estágio da peça no processo de produção.
3.1.2.6. Montagem
O módulo de montagem, responsável pela montagem final das peças do produto,
deverá informar ao módulo principal o status da montagem, para que o módulo principal saiba
quando será possível dar continuidade ao processo.
O módulo principal deve informar o tipo do produto a ser montado e enviar um sinal
autorizando o início da montagem. Ao final da montagem a peça volta para o módulo de
armazenamento para estocagem ou embalagem.
3.1.3. Protocolo de Comunicação
O Profibus é uma das plataformas mais abertas da atualidade. Devido a isso, e a sua
ampla utilização no mercado, é possível escolher equipamentos de diversos fabricantes. Essa
foi uma das principais razões que motivam a escolha do Profibus para este projeto.
Com o Profibus o tráfego de informações de controle essenciais é feito ciclicamente,
enquanto que alarmes parâmetros e diagnósticos são transmitidos somente quando necessário,
de maneira acíclica.
Para o meio físico foi definido o padrão RS-485, que utiliza par trançado de cobre com
blindagem. Isso permite topologias lineares usando apenas dois fios, e o uso efetivo para
longas distâncias em ambientes com ruído elétrico.
Há a possibilidade do uso de fibra ótica com o Profibus-DP, porém, como o projeto da
manufatura é relativamente simples e não exigirá grandes distâncias a ser percorrida, isso não
será necessário.
21
3.2. Módulo de Armazenamento
3.2.1. Célula de Armazenamento de Peças Pretas
As peças serão armazenadas em cavidades com o formato externo das peças,
empilhadas verticalmente de modo a usar a força da gravidade como atuador para o
posicionamento em seus respectivos gabaritos. A reposição de peças nas pilhas será feita por
um operador, que receberá um aviso, sonoro ou óptico, toda vez que a quantidade de peças
estiver abaixo do nível crítico.
A alimentação da linha de montagem com peças que serão mergulhadas em tinta preta
se dará por um sistema de posicionamento em gabaritos e transportadas por atuadores
lineares. O módulo funcionará de modo a encaminhar peças diretamente para o módulo de
pintura de forma simples e ágil, em tempo sincronizado com a linha de montagem.
Para fazer o posicionamento das peças, um atuador moverá linearmente um gabarito
anterior - gabarito de recolhimento - por baixo das pilhas de peças. O gabarito de
recolhimento terá alturas variadas, de acordo com a peça que irá receber, e contêm fendas que
recolherão as peças no momento que se alinharem com a respectiva pilha. Após recolhidas, as
peças serão encaminhas para o gabarito de transporte, que levará um conjunto completo de
peças para o módulo de pintura.
Abaixo, podem-se visualizar os gabaritos de recolhimento e de transporte.
Figura 2 - Gabarito de recolhimento.
22
Figura 3 - Gabarito de transporte de peças pretas.
A posição inicial do gabarito de recolhimento é alinhada com as pilhas de rodas e
trucks - peças essas já encaixadas nas fendas do gabarito. O processo completo de
alimentação de peças será feito em quatro etapas:
1. O gabarito de recolhimento sai da posição inicial e despeja um conjunto de
rodas (seis) e truques (dois, um de cada modelo) no nível mais profundo do
gabarito de transporte. Ao mesmo tempo em que faz isso, o gabarito de
recolhimento obrigatoriamente alinha-se com a pilha de chassis.
2. Voltando para a posição inicial, o gabarito de recolhimento despeja o chassi no
nível menos profundo gabarito de transporte, logo acima das rodas e dos
trucks;
3. Nessa etapa o gabarito de transporte contém um conjunto completo de peças
que serão pintadas na cor preta, necessárias para a fabricação de um veículo
(ônibus ou caminhão). Um atuador linear, com o mesmo perfil do atuador de
posicionamento, moverá o gabarito de transporte até o módulo de pintura.
4. O gabarito de transporte retorna à posição inicial, finalizando o processo de
alimentação.
Na Figura 4 pode-se visualizar o sistema de posicionamento de peças saídas do
armazenamento:
23
Figura 4 - Sistema de posicionamento de peças.
3.2.2. Célula de Armazenamento de Peças Coloridas
Esta célula trabalhará com componentes de maiores dimensões (caçamba, cabina e
carroceria), os quais serão armazenados em três magazines individuais verticais, conforme a
Figura 5.
Figura 5 - Sistema para armazenamento de peças coloridas.
24
O sistema terá a tarefa de despachar as peças para o módulo de pintura de acordo com
a requisição do módulo principal. Para isso disponibilizar-se-á de três atuadores lineares
localizados atrás dos magazines, e alinhados com a primeira peça da pilha. Os atuadores terão
um suporte com a mesma altura da peça (cada atuador terá o suporte da altura da sua
respectiva peça), e irão empurrar a peça do magazine até uma esteira, que será comum aos
três magazines e se localizará logo abaixo do conjunto de magazines. A esteira fará o trabalho
de transportar as peças até o módulo de pintura.
O reabastecimento de peças do estoque será feito da mesma forma com que será feita
na célula de peças pretas, ou seja, o operador terá a tarefa de abastecer a máquina toda vez
que o sistema solicitar.
3.2.3. Célula de Armazenamento Final
Esta célula consiste basicamente em separar os veículos em miniatura por tipo (ônibus
e caminhão) e armazená-los depois de prontos, no final da linha de montagem.
Esta máquina faz uso de dois atuadores lineares para o desvio dos brinquedos. Quando
for detectada a chegada do objeto, o módulo de identificação irá mandar as informações de
posição e tipo de brinquedo ao módulo principal; que por sua vez repassará a informação para
a célula armazenamento final. Haverá dois endereços para o produto final, como mostra a
Figura 6. O primeiro é destinado para os caminhões, e o atuador desviá-los-á para a primeira
calha; se o brinquedo não for um caminhão, ele segue na esteira até o próximo endereço, onde
o atuador o desviará para a segunda calha.
Figura 6 - Modelo de célula para armazenamento final.
25
Com os brinquedos instalados em seus respectivos endereços o processo termina. Daí
então é enviado um sinal para o módulo principal.
3.3. Módulo de Pintura
O módulo será dividido em duas seções: uma para a pintura de peças pretas por
imersão e outra para as peças coloridas, por spray. Uma nova seção, que tratará da secagem da
tinta nos componentes, estará ao final da linha das duas outras seções, uma vez que a secagem
independe do modo e da cor com que foram pintados.
Sensores de passagem estarão presentes na recepção das peças na entrada do módulo
para desencadear as operações de movimentação e pintura.
3.3.1. Pintura por Imersão – Peças Pretas
Para as peças pretas, a ligação entre o módulo de armazenamento (imediatamente
anterior ao módulo de pintura) e o módulo de pintura será através de um gabarito que
acomodará seis rodas, dois trucks e um chassi, em posições definidas, as quais o módulo terá
conhecimento previamente.
A distância entre o centro de duas rodas, em uma das filas, será a mesma entre o
centro dos dois trucks - Figura 3.
Para a movimentação das peças, uma ponte rolante será instalada. Sob o braço desta
ponte, um atuador linear na posição vertical fará a movimentação de uma peça em formato
‘H’, esta contendo uma ventosa em cada ponta. Como as posições no gabarito são definidas, o
tamanho desta peça seguirá as mesmas especificações. Como dito anteriormente, a distância
entre o centro de duas rodas é a mesma que entre o centro dos dois trucks, permitindo que a
peça ‘H’ não necessite de variações dimensionais para a retirada das rodas ou dos trucks. Para
o chassi, a mesma distância será usada, já que este componente é uma chapa e não necessita
de um ponto especial para sua movimentação.
Para o içamento dos componentes, quatro ventosas estarão presentes no ‘H’, voltadas
para baixo. Estas serão ligadas a um compressor, que será usado para criar vácuo nestas
ventosas. O controle de pressão será feito através de servos, que controlarão a sucção ou a
soltura das peças içadas.
Em uma segunda posição da ponte rolante, a extensão total do atuador linear fará com
que as peças presas a ele mergulhem totalmente em um recipiente de tinta preta, pintado-as
totalmente, exceto nos pontos de contato das ventosas. Estes pontos são estratégicos, e não
aparecerão no produto final. No caso das rodas, a falha ficará voltada para o lado de dentro do
26
brinquedo; já as marcas no chassi ficarão voltadas para cima, onde posteriormente a caçamba
e cabine ou carroceria as esconderão. Nos trucks, a parte não pintada ficará em contato com o
chassi na montagem final.
Figura 7 - Ponte em formato 'H' para pintura de peças pretas.
Após o processo de pintura, muito provavelmente haverá excesso de tinta na peça.
Para evitar falhas no acabamento do brinquedo, após sair do mergulho a peça sofrerá um giro
rápido para, através da aceleração radial, livrar-se do excesso de tinta. Esse processo
acontecerá no interior de um tanque com água, para recolhimento do excesso, sem sujar o
módulo.
Ao final, as cargas serão depositadas na seção de secagem, detalhada adiante, para a
evaporação mais rápida do solvente e assim fixar a tinta na peça.
3.3.2. Pintura por Spray – Peças Coloridas
As peças que terão o acabamento colorido seguirão diretamente do módulo de
armazenamento para o módulo de pintura através de uma esteira, que passará pelo pórtico de
pintura colorida.
Neste pórtico, haverá cinco aerógrafos montados sobre mecanismos de movimentação
cartesiana, um para cada lado exposto da peça (direita, esquerda, frente, traseira e topo).
Dependendo do tipo de aerógrafo disponível, haverá um ou dois pórticos. Caso os aerógrafos
suportem mais de um canal de alimentação de tinta, um pórtico é suficiente. Se cada um
suportar apenas um canal de tinta, serão necessários dois pórticos para pintar de duas cores
27
diferentes o brinquedo. Serão utilizados cinco aerógrafos ao invés de um com rotação da peça,
pela praticidade, velocidade e menor dificuldade de implementação. Para o acionamento dos
aerógrafos, novamente serão usados servos.
Os mecanismos cartesianos farão movimentos pintando faixas horizontais, e após cada
uma ser pintada, movimentará verticalmente o braço para pintar outra faixa horizontal
adjacente, para assim pintar por completo o componente.
Este processo será realizado sobre a esteira, mas sob ela, assim como nas laterais,
haverá uma cortina de água, que conterá a tinta que não atingiu a peça e assim evitará que a
ela se acumule fora do módulo ou até mesmo em partes móveis deste, evitando assim
possíveis problemas e sujeira no futuro.
Figura 8 - Pórtico para pintura de peças coloridas.
Ao final deste processo, a peça será despachada para a mesma seção de secagem onde
serão depositadas as peças pretas, para acelerar o processo de evaporação do solvente e
fixação da tinta na madeira.
3.3.3. Secagem
A saída dos dois processos de pintura será direcionada para esta seção de secagem, a
qual tem como principal objetivo acelerar o processo de fixação do pigmento na madeira.
A seção de secagem consistirá em uma esteira mais longa e com velocidade reduzida,
em um ambiente fechado, para reter o calor. Ao longo da esteira, nas laterais, existirão
ventiladores soprando ar quente em direção às peças, aquele aquecido por resistências
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posicionadas na tomada de ar dos ventiladores, à semelhança de secadores de cabelo. Como
resultado da evaporação do solvente, haverá condensação no teto. Pensando nisso, o topo do
ambiente será feito de em um material refratário permeável, permitindo que a umidade saia e
que o calor fique retido, economizando energia para o aquecimento do ar, uma vez que o
controle de temperatura será retroalimentado.
Figura 9 - Equipamento para secagem de peças.
Ao final desta esteira haverá um sensor de passagem para gerar o sinal informando o
fim do processo para a peça específica, desencadeando os próximos passos para a fabricação
do brinquedo.
3.4. Módulo de Identificação
Demonstra a lógica envolvida nos processos do Módulo de Identificação, explicando
como e em que pontos da fábrica serão realizados as aquisições das imagens. Também é feita
uma abordagem geral dos equipamentos que serão utilizados e de como as câmeras serão
instaladas.
3.4.1. Fluxograma Geral
Aqui é o funcionamento do projeto. As peças que saem do Módulo de Pintura são
analisadas no primeiro losango. Se as informações não coincidirem com o especificado, uma
mensagem de erro é enviada ao Módulo Principal, caso contrário, os dados sobre essa peça
são reportados a esse. No segundo losango, analisa-se a montagem. Se tudo estiver de acordo
29
com o especificado, o Módulo Principal receberá uma mensagem de confirmação para
habilitar a montagem. Caso isso não aconteça, o erro também será reportado.
Depois deste processo, as imagens são apagadas da CPU pelo software, liberando
espaço para as novas a serem captadas, recomeçando o processo.
Figura 10 - Fluxograma geral do processo de identificação.
3.4.2. Materiais e Métodos
A escolha dos equipamentos e softwares para um projeto nem sempre é uma tarefa
simples. Requer uma análise criteriosa de custos, acessibilidade, facilidade de manuseio,
compatibilidades, etc.
30
3.4.2.1. Câmeras
Serão utilizadas três câmeras digitais (webcams). Duas serão posicionadas na saída do
Módulo de Pintura e uma posicionada no Módulo de Montagem. Essa escolha foi motivada
pelo custo e pela diferença de tamanho entre as peças, podendo ter uma incerteza maior. Além
disso, elas dispensam placa de captura, sem contar que existe uma maior oferta no mercado.
3.4.2.2. Microcomputador
Uma CPU será usada para rodar o software. Ele deve atender aos requisitos mínimos
exigidos pelo software. O uso do monitor é dispensável, já que o programa rodará sozinho.
3.4.2.3. Software
Existem diversos softwares no mercado que permitem a realização de análise e
processamento de imagens. Entre eles se encontram o Dev-C++, Matlab, Scilab, CVIPtools,
Khoros e Liza. Foram alguns testes com o primeiro, que é um software gratuito e, possui um
ambiente de desenvolvimento integrado com a linguagem C orientada ao objeto. Para o
processamento de imagens, utilizou-se a biblioteca GLUT, que através de mais de 150
comandos distintos, permite a abertura e manipulação de diversos formatos de imagens.
3.4.2.4. Posicionamento e Fixação das Câmeras
Serão duas câmeras na saída do Módulo de Pintura. A primeira será posicionada acima
da esteira, para identificação e análise superior das peças. A segunda ficará presa ao suporte, o
qual realizará quatro movimentos de giro de 90º. O objetivo disso é a verificação lateral da
pintura. A terceira câmera será posicionada junto à parafusadeira no Módulo de Montagem.
Esta garantirá que as peças estarão na posição adequada antes de serem fixadas.
As câmeras posicionadas na saída do Módulo de Pintura serão fixadas externamente
para evitar vibrações. No Módulo de Montagem, será acoplada no mesmo suporte da
parafusadeira. Para evitar problemas devido às vibrações, a câmera só irá captar a imagem
quando a máquina estiver desligada.
3.5. Módulo de Posicionamento e Transporte
Quanto ao módulo de transporte, pode-se separá-lo em duas etapas: a primeira delas
sendo àquela entre o módulo de armazenamento e o módulo de pintura; e a segunda parte
sendo entre o módulo de pintura e o módulo de montagem.
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3.5.1. Transporte: Primeira Etapa
Nessa primeira etapa, compreendida entre o módulo de armazenamento primário e o
módulo de pintura, o sistema de transporte tem como principal finalidade deslocar as peças
advindas do estoque para o espaço destinado à pintura das mesmas.
O método escolhido é a utilização de uma esteira movida por motores elétricos, a qual
possui um fim de curso e, portanto deve-se mover nos dois sentidos. Além disso, a esteira
contém um gabarito para colocação das peças menores, rodas e trucks, Figura 3 de modo a
facilitar a retirada dos mesmos na entrada do módulo de pintura. Além de não apresentar
muitas complicações para sua realização, este método apresenta também baixo custo e fácil
controle.
3.5.2. Transporte: Segunda Etapa
Na segunda etapa, compreendida entre o módulo de pintura e o módulo de montagem,
o sistema de transporte tem como principal finalidade deslocar as peças, já pintadas, para o
gabarito de montagem.
Por se tratar de uma montagem invertida, as rodas devem partir para a montagem de
um nível superior às demais peças, a fim de utilizar a gravidade como atuador, dispensando o
uso de outros métodos para provocar movimento.
O módulo de posicionamento age em três etapas distintas e independentes: a primeira
delas entre o armazenamento e o módulo de transporte; a seguinte, entre o módulo de
transporte e o módulo de identificação e; a terceira no próprio módulo de montagem.
3.5.3. Posicionamento: Primeira Etapa
Essa primeira etapa tem a finalidade de posicionar as peças na esteira de acordo com o
tipo e destino.
A colocação das rodas e trucks no gabarito dão-se de forma progressiva utilizando
calhas com a ajuda de uma alavanca que pode ser pneumática ou mecânica. A única exigência
para as demais peças é a colocação na esteira de forma que as mesmas fiquem centralizadas
perpendicularmente à esteira, de modo que o módulo de pintura não necessite fazer um
reposicionamento no momento da entrada no mesmo.
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3.5.4. Posicionamento: Segunda Etapa
A segunda etapa compreende o espaço entre o módulo de transporte, assim que a peça
sair do módulo de pintura, e o módulo de identificação. Este tem a finalidade de detectar
imperfeições na pintura e, para tanto, necessita de uma visão de todas as faces da peça. Assim,
o módulo de posicionamento fará a rotação da peça em dois dos seus eixos, um no sentido da
esteira e o segundo transversalmente à esteira, de modo que todas as faces, com exceção da
face inferior, fiquem disponíveis ao módulo de identificação.
Para tanto, utilizar-se-á ventosas e um sistema de vácuo para fixar a peça e
posteriormente fazer o giro no eixo solicitado.
Depois de realizadas a tarefa do módulo de identificação caberá ao módulo de
posicionamento recolocar a peça na esteira para que esta siga em direção ao módulo de
montagem.
3.5.5. Posicionamento: Terceira Etapa
Nessa última etapa, a finalidade do módulo de posicionamento é de ajudar o módulo
de montagem a realizar a perfeita junção de todas as peças de forma a obter o produto final de
acordo com o planejado.
Para tanto, o módulo de posicionamento faz uso principalmente da força da gravidade
como atuador e das formas geométricas do gabarito e das peças uma vez que estas foram
projetadas para se encaixar.
Para cada peça existe uma única forma e posição final.
3.5.5.1. Cabina
A cabina, primeira peça para montagem do caminhão, encaixa diretamente no gabarito
presente no módulo de montagem. A parte superior fica para baixo, deixando à mostra a única
face da peça que não foi pintada. Para isso, pode-se fazer o deslocamento utilizando ventosas
ou apenas a esteira.
3.5.5.2. Caçamba
A caçamba, segunda peça para montagem do caminhão, encaixa diretamente no
gabarito ao lado da cabina. A face não pintada também fica para o lado de cima, no mesmo
nível da face da cabina.
A movimentação desta peça pode ser realizada por esteira ou pela ventosa.
33
3.5.5.3. Ônibus
O ônibus, por ser uma peça inteira, encaixa diretamente no gabarito, da mesma forma
que a cabina e a caçamba no caso do caminhão. A face não pintada também fica direcionada
para cima.
A peça pode ser posicionada no gabarito através das esteiras ou das ventosas.
3.5.5.4. Chassi
A partir do chassi, todas as peças servem tanto para o caminhão como para o ônibus.
Como as peças anteriores já formam uma base de mesmo nível a única preocupação para o
chassi é o correto posicionamento longitudinalmente e transversalmente em relação ao
gabarito. Assim que o mesmo entrar no gabarito, ele não pode mais ser movimentado.
Da mesma forma que as peças anteriores, o chassi pode ser levado até lá por meio de
esteiras ou ventosas.
3.5.5.5. Trucks
Os trucks, o menor para a parte do eixo anterior e o maior para o eixo posterior, tem
locais específicos no chassi para encaixe. A movimentação dá-se através de ventosas
principalmente, pois a esteira não mais alcança o meio do veículo e a peça tem formato
reduzido.
O sistema do cabeçote que contém a ventosa possui um sensor com o qual pode-se
medir com incerteza pequena a distância percorrida a fim de, com a ajuda da força da
gravidade, fazer com que as peças se encaixem exatamente nos locais destinados.
3.5.5.6. Rodas
As rodas são as peças que apresentam maior necessidade de possuir uma incerteza
pequena na hora do posicionamento. Qualquer erro pode provocar um produto final com
desalinhamento o qual descaracterizaria completamente o seu objetivo.
Essas peças são deslocadas para posições específicas no chassi, nas quais existe um
formato idêntico ao da roda. Isso serve para facilitar a imobilização da mesma na hora da
montagem. As rodas são provenientes de calhas num nível superior ao do gabarito.
O gabarito, por sua vez, é móvel, permitindo assim que não se faça necessário mais
uma calha para a montagem dos três pares de rodas em cada veículo. Assim, após a primeira
montagem, o gabarito se desloca até a posição da próxima liberação do par de rodas seguinte.
34
3.5.6. Estrutura
A estrutura a ser utilizada é composta por guias. Desta forma, a mesma fica
independente e pode vir a ser remodelada sem a necessidade de aquisição de novas partes,
aumentando as possibilidades sem aumentar o custo.
De preferência, o material a ser usado é o alumínio, uma vez que se trata de um
material de baixa densidade e que, dependendo do perfil a ser usado, pode se tornar bastante
resistente. Materiais de maior densidade seria um elemento a mais para prejudicar o transporte
da estrutura em si, bem como dificultariam a sua montagem e manutenção.
Uma vez formada por guias, esta estrutura está apta a receber novos módulos, podendo
assim aumentar a complexidade das atividades nela desenvolvida. Um exemplo que pode ser
citado é um cabeçote móvel, cujos graus de liberdade permitem atingir qualquer ponto no
plano da estrutura e que possui um terceiro grau de liberdade para deslocamento no eixo
perpendicular aos dois primeiros.
3.5.7. Comunicação
Para a comunicação entre o módulo principal e o módulo de posicionamento e
transporte podem-se aplicar dois tipos de abordagem: o primeiro deles com comunicação pós-
processamento e; o segundo com comunicação pelo envio da informação original.
Por comunicação pós-processamento entende-se que o módulo de posicionamento e
transporte fica responsável por tratar a informação que chega dos sensores e a partir dela
informar ao módulo principal o acontecimento. Isso acaba por descentralizar o processamento
e o controle do módulo principal, porém traz maiores custos de desenvolvimento e poderia vir
a causar uma redundância não necessária.
Pelo segundo método de comunicação, entende-se que a informação gerada pelo
sensor vai diretamente para o módulo principal onde é processada gerando diretamente uma
saída.
3.6. Módulo de Montagem
3.6.1. Plataforma de Montagem
Peça central da linha de montagem, essa plataforma móvel foi desenvolvida a partir da
necessidade de acomodar a carroceria, a cabine e os trucks durante o parafusamento, não
permitindo a locomoção das mesmas durante o processo, garantindo assim a montagem
correta do produto. Seu formato lhe garante a capacidade de adaptação tanto para a produção
35
de um ônibus quanto para a de um caminhão, indistintamente de modo a não afetar nenhum
dos processos de montagem.
Possui a capacidade de se mover livremente para frente e para trás, deslocando se
entre todas as posições de montagem.
Figura 11 - Plataforma de montagem.
3.6.2. Posicionamento das Rodas
Uma das necessidades básicas do módulo é um prévio estoque de rodas, devidamente
posicionadas. Outro problema é garantir um espaçamento necessário entre a roda e o truck,
após o parafusamento, para permitir que a roda possa girar livremente.
Para isso foi desenvolvido um dispositivo composto de duas calhas fixas posicionadas
lateralmente na linha de montagem. Cada calha ficará localizada exatamente á frente do
alimentador de parafusos e da parafusadeira horizontal respectivamente e atrás da plataforma
de montagem. A distância da calha para a plataforma, que carrega consigo as peças a serem
montadas, vai garantir o espaçamento entre a roda e o truck.
Em sua extremidade, a calha possui uma abertura dianteira e traseira, com o objetivo
de permitir que o parafuso atravesse a roda e seja fixado no truck. Após a fixação da roda, ela
seguira juntamente com o restante do produto, atravessando a lateral da calha, que possui um
dispositivo de controle de saída. Esse dispositivo consiste em uma espécie de porta, que
graças ao seu sistema de molas, permite somente a saída de rodas previamente fixadas no
restante do produto.
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Pelo formato da calha, as rodas dentro da calha se posicionarão automaticamente
graças à gravidade. Quando a última roda sai da calha outra toma sua posição e assim por
diante.
3.6.3. Posicionamento dos Parafusos
Figura 12 - Desenho esquemático de uma cartucheira de parafusos.
Outra necessidade fundamental do módulo é um estoque de parafusos corretamente
posicionados, tanto para os parafusos verticais quanto para os horizontais. Para isso serão
utilizadas quatro cartucheiras, duas horizontais e duas verticais, que devem sem alimentadas
manualmente por um operador.
No par de cartucheiras vertical, como no caso das rodas, os parafusos se posicionarão
por meio de gravidade, já para as horizontais, haverá uma mola que forçará o posicionamento
dos mesmos. Em ambas haverá um dispositivo que controlará a saída, permitindo que
somente um parafuso seja liberado por vez.
Em ambos os casos as cartucheiras ficarão exatamente à frente das parafusadeiras.
3.6.4. Controle de Estoque
Antes de se iniciar o processo de montagem é importante assegurar-se de que existe o
estoque de rodas e parafusos mínimo necessário para a montagem do produto. O mínimo
exigido para uma montagem completa são seis rodas, três em cada calha e dez parafusos,
sendo três em cada cartucheira lateral e dois nas superiores.
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Para haver um controle desses estoques, serão colocados sensores infravermelhos
diretamente nas calhas e cartucheiras, monitorando quando as mesmas chegarem ao estoque
mínimo exigido. Essa verificação se fará sempre antes do início da montagem. Quando o
requisito de estoque mínimo não for atendido será enviada uma mensagem ao módulo
principal requisitando a devida reposição. O processo de montagem só iniciará quando esse
problema for devidamente sanado.
3.6.5. Movimento de Fixação
Consiste no parafusamento da peça. Será efetuado por três parafusadeiras elétricas,
com um prévio controle de torque pré-estabelecido experimentalmente. Atrelado à
parafusadeira haverá um atuador linear, também elétrico, que a movimentará em direção ao
parafuso e em seguida à peça a ser fixada.
O parafusamento horizontal será entre as rodas e o truck, sendo que o truck, a calha de
rodas, a cartucheira de parafusos e a parafusadeiras estarão exatamente alinhados. O atuador
então movimentará a parafusadeira em direção ao parafuso, que se fixará em sua ponta,
devido a ela ser magnetizada. A parafusadeira é acionada e o atuador continua
movimentando-a de encontro à roda, com o parafuso atravessando a mesma até a fixação da
roda no truck, respeitando a distancia da calha para este. Após esse movimento, a
parafusadeira retorna à sua posição original. Esse processo acontecerá simultaneamente em
ambos os lados do produto, sendo efetuado por dois pares de parafusadeiras e atuadores.
Para a fixação do truck na carroceria será utilizada somente uma parafusadeira e
atuador, porém estes possuem liberdade de movimento para qualquer ponto da superfície
superior da peça. O parafusamento dos trucks se fará em dois movimentos quase idênticos ao
citado anteriormente, porém com a diferença de que após a fixação, não haverá distância entre
o truck e a carroceria, como acontece com as rodas.
3.6.6. Pré-Montagem
Antes de iniciar-se o processo de montagem algumas condições se fazem necessárias.
Primeiramente o módulo necessita de um estoque prévio de rodas e parafusos, devidamente
posicionados em seus respectivos lugares. Além disso, é necessário que o Transporte
posicione corretamente a carroceria, o chassi e os trucks na plataforma de montagem. Após as
peças posicionadas, será aguardada a confirmação da Identificação, que deverá certificar que
as peças estão nas suas devidas posições. Somente com todos os requisitos de pré-montagem
atendidos, o processo de montagem é iniciado.
38
3.6.7. Montagem
Figura 13 - Vista superior do chassi de montagem.
Processo no qual o produto é montado, por meio da fixação de suas peças com
parafusos. As peças a serem parafusadas serão: os dois trucks no chassi, que com o mesmo
parafuso fixa também o chassi na carroceria, e as seis rodas, sendo duas fixadas no truck
dianteiro e quatro no truck traseiro.
A montagem se dará inicio com o posicionamento da carroceria, cabine e trucks na
plataforma de montagem, feito pelo Módulo de Posicionamento. Após isso e com todos os
pré-requisitos de montagem, citados anteriormente, atendidos inicia-se o processo de acordo
com a seguinte ordem:
Posição inicial: Posição na qual a plataforma recebe as peças vindas do
Módulo de Posicionamento com sua posição verificada pelo Módulo de
Identificação. Após o término da montagem a plataforma retorna a essa
posição para uma segunda checagem da posição e remoção do produto final
para a sua armazenagem pelo Módulo de Transporte;
Primeira posição de montagem: A plataforma alinha a posição1 do truck
dianteiro com a cartucheira de parafusos superior direita. A parafusadeira
superior alinha-se também com essa cartucheira e efetua a fixação do primeiro
parafuso;
Segunda posição de montagem: Alinha-se a cartucheira superior esquerda com
a posição 2 e a parafusadeira, onde é fixado o último parafuso do truck
dianteiro;
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Terceira posição de montagem: Onde o primeiro par de rodas é fixado. A
plataforma se move para que o centro do truck fique em linha reta com as
calhas laterais, onde as parafusadeiras laterais parafusarão o par de rodas;
Quarta posição de montagem: Plataforma se move e alinha as posições 3 e 4 do
truck traseiro com as duas cartucheiras superiores. A parafusadeira então fixa
um parafuso na posição 3 e depois outro na 4;
Quinta posição de montagem: Alinham-se a primeira posição de rodas do truck
traseiro com as calhas laterais. Nessa posição é efetuado o parafusamento do
segundo par de rodas, pelas parafusadeiras laterais;
Sexta posição de montagem: A última posição de rodas é alinhada com as
calhas para as parafusadeiras laterais fixarem o terceiro par de rodas, estágio
final de montagem.
Com a montagem concluída o produto volta para a posição inicial sendo emitido um
sinal direcionado para a Identificação, para que a mesma possa checar se houve uma correta
montagem do produto. Finalmente o Transporte o moverá para sua respectiva armazenagem.
3.6.8. Eliminação de Resíduos
Como o parafusamento será feito diretamente sobre a madeira bruta, isso irá gerar uma
grande quantidade de resíduos de madeira, que quando acumulados podem gerar problemas
para a linha de produção. Para tanto é necessário um sistema que elimine esses resíduos,
garantindo condições de limpeza e bom funcionamento do módulo.
A eliminação desses resíduos se dará por meio de aspiração. Será utilizado um
aspirador com uma tubulação de sucção contendo 3 subdivisões, ambos fixos. Cada divisão
ficará próxima dos 3 pontos de parafusamento,sendo um superior e dois laterais, e irá aspirar
instantaneamente qualquer resíduo produzido.
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4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Embora a natureza deste projeto seja puramente teórica, tendo em vista que o objetivo
da cadeira de Projeto I – CCA99002 era instigar o aluno a desenvolver uma mentalidade
criativa e de trabalho em equipe, foi possível perceber a necessidade de uma concentração de
esforços na parte de definições de um grande projeto, com o intuito de evitar erros durante o
processo de implementação do projeto desenvolvido.
As máquinas e equipamentos aqui descritos têm um funcionamento simples, porém
eficiente em teoria. Os parâmetros de construção física do modelo são satisfatórios e atendem
às necessidades impostas pela linha de montagem.
A divisão da célula de manufatura em módulos se mostrou uma estratégia inteligente
uma vez que proporcionará agilidade e autonomia aos processos. O desenvolvimento de
soluções rápidas para os problemas acabou por ter como obstáculo a falta de conhecimento
em muitos aspectos dos equipamentos.
Muitos testes com equipamentos e ambientes de desenvolvimentos foram realizados
durante todas as etapas do projeto.
41
5. CONCLUSÕES
Assim como automatização de processos vêm se tornando uma tendência das grandes
empresas, as instituições formadoras de profissionais na área vêm tentando se adequar às
novas exigências do mercado.
O projeto proposto tende a iniciar uma formação neste âmbito. Neste trabalho
apresentou-se um projeto conceitual de uma célula de manufatura. Esta foi separada em
módulos para facilitar a abordagem dos problemas.
Com relação ao módulo supervisório, a utilização do software Elipse E3 e do
protocolo de comunicação Profibus foi considerada pelo grupo como a mais recomendada. As
informações que trafegam entre os módulos podem ser visualizadas no Apêndice I.
A utilização de sensores para controle de estoque foi a alternativa mais adequada
encontrada pelo grupo do módulo de armazenamento. Ainda neste, os métodos de
armazenagem mais discutidos englobam principalmente o uso da força da gravidade como
atuador e calhas para cada uma das peças que compõem os veículos.
O módulo de pintura decidiu, com base no material usado para os veículos – madeira –
que a melhor alternativa para pintura é tinta PVA. Esta será utilizada na imersão de peças ou
através de spray. Para que a tinta não venha a danificar qualquer outro componente da célula,
foram desenvolvidos equipamentos para o escorrimento e secagem rápida das peças.
Com respeito ao módulo de identificação, optou-se pelo processamento de imagens,
em software desenvolvido pelo grupo, para executar as tarefas designadas. As imagens serão
capturadas através de câmeras digitais e processadas em um computador pessoal, para
posteriormente serem enviadas como informação para o módulo supervisório. O
desenvolvimento de um suporte para as câmeras também está incluído nesta etapa.
Com relação ao módulo de transporte, pode-se dizer que a forma mais apropriada de
realizar esta tarefa é através de esteiras, as quais poderão ou não conter gabaritos. Trata-se de
uma forma de baixo custo e de fácil controle, além de preencher todos os requisitos
necessários. Para o módulo de posicionamento, utilizam-se principalmente equipamentos
pneumáticos, gabaritos e a força da gravidade para se atingir os objetivos. Como principal
característica da estrutura destaca-se suas guias e sua baixa densidade por utilizar-se alumínio.
No módulo de montagem, parafusadeiras e cartucheiras para parafusos serão as
principais ferramentas. Estas, em conjunto com um gabarito móvel e à estrutura, exercerão as
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tarefas designadas de forma completa e satisfatória. A montagem deverá seguir as etapas
descritas na seção 3.6.7.
Espera-se que, na segunda etapa do projeto, todos estes equipamentos sejam
tecnicamente descritos além de localizados espacialmente na planta da célula de manufatura.
43
6. REFERÊNCIAS
[1] COSTA, L. S. S., CAULLIRAUX, H. M. (organizadores) – Manufatura
integrada por computador: sistemas integrados de produção; estratégia,
organização, tecnologia e recursos humanos. Rio de Janeiro : Campus :
SENAI : COPPE/UFRJ, 1995.
[2] ROSÁRIO, João Maurício. Princípios de Mecatrônica. São Paulo: Prentice
Hall, 2005.
[3] Robótica Industrial: aplicação na indústria de manufatura e de processos.
São Paulo : Edgard Blücher, 2002.
[4] RIVIN, E., Mechanical Design of Robots, 1.ª Edição., McGraw-Hill Inc.,
New York, 1988.
[5] MAC NIECE, E. H., Production forecasting, planning, and control. 3rd
Edition, New York : John Wiley, 1961.
[6] SANDLER, Ben-Zion. Robotics: designing the mechanisms for automated
machinery. 2nd
Edition. San Diego : Academic Press, 1999.
[7] ASSIS, Alan Carvalho de, 2006. Sistema Supervisório para Automação
Industrial Usando Software Livre. Disponível em: (Acesso em 30/12/2009).
<http://www.centralmat.com.br/Artigos/Mais/supervisorioLivre.pdf>.
[8] CASSIOLATO, César; TORRE, Ana Cecília. Uma visão de Profibus, desde
a instalação até a configuração básica. Disponível em: (Acesso em
01/12/2009).<http://www.profibus.org.br/news/fevereiro2008/news.php?dentro
=1>
[9] GONÇALVES, Tiago André. Projeto e Implementação de uma Aplicação
de Pequena Rede Industrial para Controlo de Etar. Universidade do
Minho, 2009. Disponível em: (Acesso em 03/12/2009).
<http://intranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/33030.pdf>
[10] LIMA, Samir. Arquitetura de Sistemas de Supervisão. 2008.
Disponível em: <http://www2.fc.unesp.br/wes/materias/IV/elipse.ppt>.
(Acesso em 05/12/2009).
[11] VIANNA, William da Silva, Campos dos Goytacazes. Sistema
SCADA Supervisório. Instituo Federal Fluminense de Educação Ciência e
Tecnologia - 2008. Disponível em: (Acesso em 02/12/2009).
44
<http://www.professor.cefetcampos.br/professores/wvianna/scada/supervisorio_sc
ada.pdf>.
[12] Empório Michelangelo – Aerografia - O que é um aerógrafo?
http://www.emporiomichelangelo.com.br/aerografo.htm
[13] COHEN, Marcelo; MANSSOUR; Isabel Harb. OpenGL – Uma
Abordagem Prática e Objetiva, Novatec, Rio Grande do Sul - 2006.
[14] PINHO, Márcio S. Biblioteca Gráfica OpenGL. 2001.
[15] GRASSI, M.V.. Desenvolvimento e aplicação de um sistema de
visão para robô industrial de manipulação, UFRGS, Porto Alegre, Rio
Grande do Sul. 2005.
[16] FORESTI, R. L., Sistema de visão robótica para reconhecimento de
contornos de componentes na aplicação de processos industrias, UFRGS,
Porto Alegre, Rio Grande do Sul – 2006.
[17] SOBRINHO, M. B., Tutorial de Utilização de OpenGL, Uni-BH.
Belo Horizonte, Minas Gerais – 2003.
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ANEXOS
Anexo I- Exemplo de arquitetura desenvolvida no Elipse E3.
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APÊNDICES
Apêndice I - Diagrama exemplificativo de fluxo de dados entre os módulos.
Apêndice II - Fluxograma do funcionamento do sistema de manufatura.
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Apêndice III - Especificações básicas de componentes de montagem
Apêndice IV - Tabela de custos para módulo de identificação.
Custos Estimados para Projeto
Descrição Quantidade Valor Unitário Valor Total
Câmera Digital 03 R$ 100,00 R$ 300,00
CPU 01 R$ 1.500,00 R$ 1.500,00
Compilador Dev-C++ 01 Gratuito Gratuito
Cabo de Comunicação 04 R$ 25,00 R$ 100,00
Suporte para Câmera 01 R$ 500,00 R$ 500,00
Total do Material R$ 2.400,00
Especificações do aspirador:
-Capacidade do Coletor 15L
-Alimentação 110V
-Potência Máx. 1200 W
-Largura 340 mm
-Altura 340 mm
-Profundidade 330 mm
-Peso 5 Kg
Especificações das parafusadeiras:
- Mais de 20 posições de torque
- Voltagem: 3.6V
- Rotação/Minuto: 180 rpm
- Torque: 4,5 N.m
- Tipo de Bateria: Níquel Cádium
- Tempo de Carga: 12h
- Mecanismo do torque
- Reversível
Especificações dos atuadores:
-Alimentação: 110V ou 220V
-Capacidade de carga: 12kg a 480 kg
-Curso útil: 50mm a 500mm
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Apêndice V – Esquemático do caminhão.
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Apêndice VI - Esquemático do ônibus.
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