Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás de Transportador Aéreo

Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás de Transportador Aéreo AMTROL-ALFA Ana Rita Silva Ribeiro Dissertação do MIEM Orientador na AMTROL-ALFA: Engenheiro Vitor Silva Orientador na FEUP: Prof. Francisco Freitas Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Novembro de 2013 Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo i Para a minha avó, que ainda assistiu ao início deste projeto. Tinhas razão, vim mesmo parar à Alfa! Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo iii Resumo Este trabalho teve como principal objetivo o desenvolvimento de um sistema automático para colocar e retirar garrafas de gás de um transportador aéreo. Esta é uma tarefa que tem vindo a ser feita manualmente, tendo a si associada o risco de o operador contrair lesões músculo-esqueléticas devido ao manuseamento de cargas elevadas. Este risco, associado à repetibilidade do processo, levou a AMTROL-ALFA a considerar que o operador deveria ser totalmente substituído por uma máquina capaz de realizar a tarefa automaticamente. O sistema foi construído para a linha de acabamento de uma das primeiras fábricas da empresa, mas foi-lhe atribuída, através do design, uma capacidade considerável de adaptação a outras linhas de produção ou acabamento. Assim, foi desenvolvido um sistema desde o projeto mecânico a um anteprojeto de automação, criando-se uma solução viável para realizar as tarefas cumprindo as especificações definidas. Estas prenderam-se maioritariamente com as caraterísticas das garrafas a serem transportadas, os tempos de ciclo e ainda as alterações ao espaço envolvente aos postos onde os equipamentos serão implementados. No final concluiu-se que os tempos de ciclo da linha de acabamento ficam plenamente cumpridos com a introdução destes equipamentos e, dessa forma, será possível substituir a mão-de-obra com uma flexibilidade adequada e com benefício para a empresa, na medida em que o operador deixa de estar sujeito a uma situação que pode ser prejudicial à sua saúde. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo v Development of an automatic LPG cylinder loader and unloader off an air conveyor Abstract The aim of this work is the development of an automatic system for loading and unloading LPG (Liquefied Petroleum Gas) cylinders off an overhead conveyor. This is a task that has been made manually and hence the operator is exposed to a health risk situation due to the handling of heavy loads. This risk, associated with the repeatability of the process, led AMTROL-ALFA to consider that the operator should be completely replaced by an adequate solution that would perform the task automatically. The system was built for a finishing line in one of the earliest plants of the company, though it has designed to have a considerable adaptability to other finishing or production lines. A mechanical project was developed, from the specification stage to the first stages of the automation project. This way, a viable solution was created following all the initial specifications. These specifications were related mainly with the cylinders characteristics, the cycle times and the changes to the surroundings where the equipment would be implemented. With the introduction of this equipment, the finishing line cycle times have been totally met. By doing so, it will be possible to replace man power with adequate flexibility and added value to the company, by removing a hazardous situation with the workers from this finishing line. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo vii Agradecimentos Aos meus orientadores, Professor Francisco Freitas e Engenheiro Vitor Silva, pelo que me ensinaram, pelo apoio que me deram e, principalmente, pelo que me fizeram aprender. Tê-los como orientadores fez com que este semestre fosse aquele em que mais aprendi e que esta dissertação seja motivo de orgulho. Ao Engenheiro José Portocarrero, que me abriu as portas e me acolheu, sendo o primeiro a permitirme entrar no mundo de trabalho, ainda para aprender. Ao Sr. Lima, sem o qual este trabalho teria sido arduamente mais difícil. O conhecimento que partilhou comigo ajudou-me no desenvolvimento desta dissertação e tornou-me uma engenheira mais completa. A toda a equipa de manutenção da AMTROL-ALFA nas pessoas do Sr. Fernando, Sr. Moisés, Sr. Elídio e Sr. Serafim, que nunca deixaram de estar disponíveis para me ajudar. Pela simpatia, esclarecimentos e ensinamentos que foram importantes para esta tese e para o meu futuro profissional. À Engenheira Daniela, que com a sua simpatia e a forma como me integrou, fez com que os dias na AMTROL-ALFA fossem bem mais fáceis. À D. Isabel Maria pela simpatia, disponibilidade, preocupação e companhia nas viagens para o Porto. Aos meus colegas de laboratório, Jorge, Pedro, Rafael e Sérgio, e ao Sr. Joaquim por toda a paciência que tiveram para me aturar nos dias de trabalho na FEUP e pela ajuda preciosa que me deram em momentos de muitas dúvidas. Aos meus pais, pela paciência que tiveram comigo nestes cinco anos, por me terem permitido seguir o meu sonho e terem vivido sem mim dias em que, com certeza, sentiram a minha falta. À minha mãe em específico, pelas conversas de ânimo quando esta dissertação já parecia não ter qualquer sentido. À Helena e ao Carlos, que tiveram as portas da sua casa sempre abertas para mim. Partilharam comigo a sua casa e as suas coisas e permitiram que os meus dias no Porto fossem passados em família. Por último, exatamente pela sua importância, ao meu namorado, Tiago Barrigana. As suas críticas e desafios levaram-me a um trabalho melhor do que o que teria sido capaz sem o seu apoio. Foi o meu exemplo e sem ele nunca teria tido a força para ultrapassar as minhas maiores dificuldades. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo xiv Figura 3.15 – Espiga aplicada nas garrafas em produção na fábrica #5 .................................. 23 Figura 3.16 – Sistema que precede o posto de colocação das garrafas no transportador aéreo 24 Figura 3.17 – Elevador situado no final da linha de fabrico da fábrica #1 .............................. 25 Figura 3.18 – Disponibilização das garrafas ao sistema de colocação das garrafas no transportador ............................................................................................................................ 26 Figura 4.1 – Fecho da garra (ou sistema semelhante) sobre a espiga ...................................... 30 Figura 4.2 – Elevação da garrafa até ao ponto de acoplamento ............................................... 30 Figura 4.3 – Espera pela chegada do pendural ao ponto de acoplamento ............................... 30 Figura 4.4 – Descida a baixa velocidade para encaixe da espiga no pendural ........................ 30 Figura 4.5 – Abertura da garra (ou sistema semelhante) ......................................................... 31 Figura 4.6 – Retorno do sistema à posição inicial ................................................................... 31 Figura 4.7 – Queda de uma garrafa cujo acoplamento foi mal sucedido ................................. 31 Figura 4.8 - Fecho da garra (ou sistema semelhante) sobre a espiga ....................................... 33 Figura 4.9 – Movimentos vertical e horizontal simultâneos .................................................... 34 Figura 4.10 – Confirmação do correto posicionamento do pendural ....................................... 34 Figura 4.11 – Acoplamento da espiga ao pendural .................................................................. 34 Figura 4.12 – Abertura da garra (ou sistema semelhante) e desativação de elemento de posicionamento do pendural .................................................................................................... 34 Figura 4.13 – Retorno à posição inicial ................................................................................... 35 Figura 4.14 – Deteção da falha no posicionamento do pendural relativamente à espiga ........ 35 Figura 4.15 – Descida da garrafa até ao buffer ........................................................................ 36 Figura 4.16 - Abertura da garra (ou sistema semelhante) ........................................................ 36 Figura 4.17 – Avanço da garrafa no buffer e retorno do sistema à posição inicial .................. 36 Figura 4.18 – Esquema da primeira hipótese de construção escolhida para a estrutura .......... 41 Figura 4.19 – Esquema da segunda hipótese de construção escolhida para a estrutura (semelhante ao sistemas existentes na AMTROL-ALFA) ...................................................... 41 Figura 4.20 – Sequência de movimentos da garra ................................................................... 42 Figura 4.21 – Sequência de alterações ao design e tipo construtivo dos elementos da garra .. 43 Figura 4.22 – Pormenor da espiga quando agarrada ................................................................ 43 Figura 4.23 – Aspeto final da garra e carruagem ..................................................................... 44 Figura 4.24 – Desenho 2D das chumaceiras de apoio do fuso ................................................ 50 Figura 4.25 – Elementos da garra submetidos a análise .......................................................... 53 Figura 4.26 – Representação do encastramento da estrutura ................................................... 54 Figura 4.27 – Representação da restrição de movimentação em x .......................................... 54 Figura 4.28 – Direção e sentido da carga aplicada .................................................................. 55 Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo xv Figura 4.29 – Distribuição de tensões obtida para a 1ª simulação ........................................... 55 Figura 4.30 – Pontos sujeitos a maior tensão decorrentes da 1ª simulação .............................. 56 Figura 4.31 – Deslocamentos obtidos a partir da 1ª simulação ................................................ 56 Figura 4.32 – Pormenor da garra, elemento que sofreu maiores deslocamentos ..................... 56 Figura 4.33 – Distribuição de tensões obtida para a 2ª simulação ........................................... 57 Figura 4.34 – Pontos sujeitos a maior deformação quando aplicadas as cargas da 2ª simulação .................................................................................................................................................. 57 Figura 4.35 – Deslocamentos da estrutura durante a 2ª simulação .......................................... 58 Figura 4.36 – Pormenor dos elementos sujeitos a maior deformação na 2ª simulação ............ 58 Figura 4.37 – Distribuição de tensões obtida na 3º simulação ................................................. 59 Figura 4.38 – Pontos sujeitos a maiores tensões decorrentes da 3ª simulação ......................... 59 Figura 4.39 – Deslocamentos obtidos com a solicitação associada à 3ª simulação ................. 59 Figura 4.40 – Pormenor dos deslocamentos sofridos pela garra .............................................. 60 Figura 4.41 – Planta da zona de colocação de garrafas no transportador aéreo. À esquerda antes das alterações, à direita após alterações .......................................................................... 61 Figura 4.42 – Imagem 3D do transportador de correntes da zona de colocação das garrafas no transportador aéreo ................................................................................................................... 61 Figura 4.43 – Travão de garrafas .............................................................................................. 62 Figura 4.44 – Montagem do travão de garrafas ........................................................................ 63 Figura 4.45 – Montagem do posicionador de garrafas sobre o transportador de correntes ...... 63 Figura 4.46 – Imagem 3D do posto onde as garrafas são colocadas no transportador aéreo ... 64 Figura 4.47 – Planta do posto em que se retiram as garrafas do transportador aéreo. À esquerda antes das alterações, à direita após alterações ........................................................... 64 Figura 4.48 – Imagem 3D do posto onde as garrafas são retiradas do transportador aéreo ..... 65 Figura 4.49 – Descida da garra para acoplamento da espiga ao pendural ................................ 65 Figura 5.1 – Circuito pneumático da garra ............................................................................... 70 Figura 5.2 – Circuito pneumático dos travões dos transportadores térreos .............................. 71 Figura 5.3 – Detetores limitadores do curso do sistema de elevação ....................................... 72 Figura 5.4 – Esquema da implementação da deteção do acoplamento .................................... 73 Figura 5.5 – Pormenor da localização das molas e do detetor no posicionador de garrafas .... 74 Figura 5.6 – Montagem final do posto de colocação das garrafas no transportador aéreo ...... 78 Figura 5.7 – Montagem final do posto de retiro das garrafas do transportador aéreo .............. 78 Figura 5.8 – Pontos funcionais dos ciclos de trabalho de cada um dos sistemas ..................... 79 Figura 5.9 – Esquema de menus e botões da HMI ................................................................... 83 Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo xvii Índice de Tabelas Tabela 2.1 – Especificações limite das garrafas a transportar na linha ...................................... 8 Tabela 3.1 – Especificações limite das garrafas a transportar na Fábrica #2 ........................... 17 Tabela 3.2 – Especificações limite das garrafas a transportar na Fábrica #3 ........................... 21 Tabela 3.3 – Especificações das garrafas em produção na fábrica #5 ...................................... 24 Tabela 3.4 – Caraterísticas do sistema a construir na Fábrica #1 e do seu espaço envolvente 28 Tabela 4.1 – Valores de tempo e velocidades calculados para a garrafa de menor altura ....... 38 Tabela 4.2 – Valores de tempo e velocidades calculados para a garrafa de maior altura ........ 39 Tabela 4.3 – Parâmetros de seleção do cilindro de acionamento do movimento da garra ....... 44 Tabela 4.4 - Parâmetros de seleção do fuso e fêmea de esferas ............................................... 45 Tabela 4.5 – Restrições de velocidade e tempo de aceleração/desaceleração .......................... 46 Tabela 4.6 – Dados de entrada para a seleção do fuso segundo (Motion & Control | NSK, 2013) ......................................................................................................................................... 47 Tabela 4.7 – Seleção inicial das principais caraterísticas segundo (Motion & Control | NSK, 2013) ......................................................................................................................................... 47 Tabela 4.8 – Alteração das caraterísticas principais em função da segurança básica (Motion & Control | NSK, 2013) ................................................................................................................ 48 Tabela 4.9 – Valores dos fatores de carga de encurvadura e fator de velocidade crítica (Motion & Control | NSK, 2013) .............................................................................................. 48 Tabela 4.10 – Seleção dos rolamentos de apoio do fuso .......................................................... 49 Tabela 4.11 – Parâmetro de seleção do motor de acionamento do fuso (Rexroth - Bosch Group, 2001) ............................................................................................................................. 51 Tabela 4.12 - Parâmetro de seleção do motor de acionamento do fuso ................................... 52 Tabela 4.13 – Propriedades mecânicas dos materiais associados a cada elemento .................. 53 Tabela 4.14 – Parâmetros de seleção do motor-redutor do transportador de correntes............ 62 Tabela 5.1 – Caraterísticas de seleção da válvula de comando dos cilindros da garra ............ 69 Tabela 5.2 - Caraterísticas de seleção da válvula de comando dos cilindros do travão (Abreu, 2010) ......................................................................................................................................... 71 Tabela 5.3 – Resumo das caraterísticas dos detetores selecionados......................................... 75 Tabela 5.4 – Limites funcionais da máquina em avaliação de riscos ....................................... 76 Tabela 5.5 – Análise de risco da fase de regulação, condução/programação ou mudança de procedimento de fabrico ........................................................................................................... 76 Tabela 5.6 - Análise de risco da fase de funcionamento/operação ........................................... 76 Tabela 5.7 - Análise de risco da fase de limpeza, pesquisa de falhas e avarias e manutenção 77 Tabela 5.8 – Módulos do PLC selecionado .............................................................................. 82 Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo xviii Tabela 5.9 – Parâmetro de seleção das fontes de alimentação ................................................. 84 Tabela 5.10 – Lista de códigos e funções de cada equipamento utilizado no circuito elétrico 85 Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 1. Introdução 1 1 Introdução 1.1 Apresentação da AMTROL-ALFA Com mais de 50 anos de existência, a AMTROL-ALFA é uma empresa que fornece indústrias de gases técnicos e refrigerantes (AMTROL-ALFA, 2012). Esta empresa resultou da fusão em 1990 de duas das maiores fábricas mundiais produtoras de cilindros de gás, estabelecidas em Portugal. A Comanor, que entre 1902 e 1956 se designou Alumínia, unia-se assim à Petróleo Mecânica Alfa, com início de funções em 1967, para juntas consolidarem uma posição de liderança no seu campo de ação. Em julho de 1997, a Alfa Comanor foi adquirida a 100% pelo grupo americano AMTROLINC, passando a designar-se AMTROLALFA Metalomecânica, S.A.. A AMTROLINC passou assim a possuir unidades fabris nos Estados Unidos, Polónia e Portugal (Martins & Cruz, 2012). A unidade industrial da AMTROL-ALFA situa-se em Brito, no Concelho de Guimarães ocupando uma área total de mais de 80000 m2 e divide-se nos seguintes polos:  Fábrica #1  Fábrica #2  Fábrica #3  Fábrica #4  Fábrica #5  Serviços de Serralharia  Manutenção Mecânica e Elétrica  Armazéns Gerais  Área Técnica e Administrativa Atualmente a AMTROL-ALFA é uma empresa constituída por cerca de 550 trabalhadores (Martins & Cruz, 2012). Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 2 Ana Rita S. Ribeiro | 1. Introdução Figura 1.1 – Vista aérea da unidade industrial da AMTROL-ALFA (AMTROL-ALFA, 2012) 1.2 O Projeto na AMTROL-ALFA O desenvolvimento do projeto surgiu da necessidade da AMTROL-ALFA adquirir um sistema automático para colocar e retirar garrafas de gás de um transportador aéreo, na linha de acabamento da Fábrica #1. Esta foi uma fábrica construída para acolher a produção de garrafas de três peças, virola (corpo) e coquilhas (Figura 1.2), sendo uma das primeiras da unidade fabril. Por ser uma fábrica cuja construção coincide com a fundação da Petróleo Mecânica Alfa, as alterações às linhas têm vindo a ser parte fundamental do desenvolvimento da empresa, e a substituição da mão-de-obra por sistemas automáticos tem feito parte da sua modernização. Figura 1.2 – Designação dos diferentes elementos constituintes de uma garrafa O problema integrado neste projeto relaciona-se maioritariamente com as dimensões das garrafas produzidas nesta fábrica. Até ao momento, a tarefa de colocar e retirar garrafas do transportador aéreo que as conduz ao longo dos postos de pintura e secagem tem sido realizada manualmente por operários (Figura 1.3 e Figura 1.4). Dadas não só as alturas, mas essencialmente os pesos das garrafas em produção, esta é uma tarefa que exige esforço físico Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 1. Introdução 3 elevado ao operário e pode representar perigosidade a nível médico, devido aos movimentos repetitivos e ao manuseamento de cargas pesadas. Por turno, são produzidas cerca de 1400 garrafas, o que implica que cada um dos operários repita 1400 vezes o mesmo movimento no espaço de 8 horas. Figura 1.3 - Tarefa manual de colocar garrafas de menor altura no transportador aéreo na linha de acabamento da Fábrica #1 Figura 1.4 – Tarefa manual de retirar garrafas de maior altura do transportador aéreo na linha de acabamento da Fábrica #1 Para além do esforço físico associado à tarefa, existe outra condição adversa. As garrafas encontram-se a temperaturas relativamente altas, dado o posto precedente à descarga do transportador aéreo ser a estufa. Este é outro motivo pelo qual surgiu a necessidade de se realizar a tarefa automaticamente, sem a utilização de mão-de-obra. Dentro da empresa são utilizadas algumas nomenclaturas que interessam referir desde já, para que se percebam os capítulos subsequentes. O sistema que interliga as garrafas ao transportador aéreo é composto por dois elementos, pendural e espiga, que podem ver-se na Figura 1.5. O pendural é encaixado no transportador aéreo e acoplado à espiga, que é roscada na bolacha da garrafa. Existem diferentes configurações de pendurais e espigas que diferem em função do transportador aéreo, das características das garrafas e ainda das características da linha em que são utilizados. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 4 Ana Rita S. Ribeiro | 1. Introdução Figura 1.5 – Nomenclaturas utilizadas na empresa 1.3 Motivação para o projeto A motivação pessoal para a concretização deste projeto surgiu da vontade de realizar a dissertação em ambiente empresarial. Começar por realizar um projeto em parceria entre uma empresa e a escola de engenharia pareceu uma boa forma de ganhar confiança e consolidar conhecimentos antes de terminar o curso e entrar no mundo do trabalho. Após a aceitação da AMTROL-ALFA em acolher e acompanhar um projeto de dissertação, foram propostos três temas dos quais se selecionou o que agora se apresenta. A escolha recaiu sobre este tema pelo facto de ser um projeto bastante completo. O desenvolvimento de um sistema desde o estudo do projeto mecânico ao projeto de automação engloba diferentes áreas da engenharia e, por isso, para além de ser um grande desafio possibilita a consolidação de vastos conhecimentos adquiridos ao longo do curso. 1.4 Objetivos Esta dissertação, realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, tem como principal objetivo o desenvolvimento de um sistema automático que diminua os requisitos humanos na colocação e retirada de garrafas de gás de um transportador aéreo na empresa AMTROL-ALFA. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 1. Introdução 5 A dissertação tem como objetivos específicos a criação de um equipamento moderno e eficiente, o desenvolvimento da solução mecânica incluindo a escolha e dimensionamento dos acionamentos e órgãos mecânicos, e ainda o avanço de uma solução de automação. 1.5 Organização e temas abordados no presente relatório Esta dissertação foi desenvolvida e escrita em quatro tópicos principais: redação de uma especificação técnica, análise e comparação de sistemas já em funcionamento na AMTROL-ALFA, desenvolvimento mecânico do equipamento e automação do mesmo. A especificação técnica para o projeto, aprovada pela AMTROL-ALFA, serviu como indicação limitadora ao desenvolvimento do sistema. Já a análise dos sistemas, semelhantes ao que se pretendia desenvolver, existentes na empresa, foi o ponto de partida para muitas soluções adotadas. No desenvolvimento do projeto mecânico a definição dos movimentos básicos e respetivas equações de tempo e velocidade permitiu que se estabelecessem as velocidades necessárias para cada movimento. Após a seleção do acionamento do movimento principal foi-se construindo o sistema passo a passo e todas as escolhas foram justificadas. Foram ainda pensadas as alterações aos espaços envolventes e elementos de interface do sistema a construir com a linha. A construção do sistema inclui também um projeto de automação do equipamento, deixando-se efetuadas as escolhas de comando, deteção e controlo e os esquemas do circuito elétrico. Foi ainda feita uma análise de segurança do sistema e foram projetados os equipamentos necessários, decorrentes desta avaliação. Apesar de nenhuma programação ter sido implementada, este processo encontra-se facilitado pela apresentação de GRAFCET’s que delimitam o comportamento geral do sistema. Por fim, são apresentadas as conclusões mais relevantes de todo o trabalho desenvolvido, assim como algumas propostas que visam a aplicabilidade futura do sistema projetado. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 12 Ana Rita S. Ribeiro | 2. Especificação Técnica do Projeto A solução deverá:  ser o mais flexível possível,  trazer à linha de acabamento maior eficiência, nomeadamente com menos tempos de paragem por falhas, e  ter o menor custo associado, tanto de construção como de manutenção. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 3.Análise de Sistemas de Elevação Automáticos Existentes na AMTROL-ALFA 13 3 Análise de Sistemas de Elevação Automáticos Existentes na AMTROL-ALFA Na realização deste trabalho, uma das dificuldades encontradas foi a recolha de informação sobre o estado da arte relativo ao projeto. De forma a se ultrapassar este problema, foi feita uma análise a todos os sistemas com funções semelhantes ao que se pretendeu desenvolver, existentes na empresa. Como explicado no Capítulo 1, a AMTROL-ALFA encontra-se dividida em pólos, designados internamente como fábricas. Assim, para a análise, distinguiram-se os sistemas com respeito às fábricas em que se encontram a trabalhar. 3.1 Sistema aplicado na Fábrica #2 3.1.1 Descrição geral Na Fábrica #2 existe um transportador aéreo na linha de acabamento de garrafas de 2 peças (garrafas constituídas apenas pelas coquilhas, sem virola), portanto garrafas de massa muito inferior ao pretendido. Os sistemas que colocam e retiram as garrafas do transportador aéreo são semelhantes e acionados pneumaticamente. Um esquema da sua construção pode ser encontrado na Figura 3.1 e o desenho de conjunto no Anexo A. Pela sua configuração este sistema é capaz de assegurar movimentos vertical e horizontal sincronizados. Integra cinco cilindros:  (A) Dois para acionamento do corpo principal;  (B) Dois para o acionamento dos braços;  (C) Um para uma pequena elevação, de auxílio, dos braços. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 14 Ana Rita S. Ribeiro | 3.Análise de Sistemas de Elevação Automáticos Existentes na AMTROL-ALFA Figura 3.1 – Esquema do sistema de colocação de garrafas da Fábrica #2 Para o posicionamento e fixação do pendural utiliza-se um travão mecânico – Figura 3.2. Os três interruptores de fim-de-curso, indicados com a), visíveis na imagem são utilizados para enviar sinais ao travão das garrafas e ao sistema que as eleva, a fim de coordenar os movimentos com a posição do pendural. O último fim de curso sinaliza o abandono do pendural do local de carga. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 3.Análise de Sistemas de Elevação Automáticos Existentes na AMTROL-ALFA 15 Figura 3.2 – Pormenor do travão do pendural rotativo Na Figura 3.3 vê-se uma sequência de movimentos do sistema que retira as garrafas do transportador aéreo. Figura 3.3 – Sequência de movimento dos braços do sistema de retirar garrafas da Fábrica #2 3.1.2 Definição do conjunto pendural e espiga Na linha da Fábrica #2 são utilizadas espigas compostas por um corpo principal, e uma rosca amovível, que é alterada em função da bolacha da garrafa em produção. Por ser amovível esta rosca é facilmente substituída quando gasta, aproveitando dessa forma todo o material do corpo, que não sofre desgaste. Pode ver-se na Figura 3.4 o corpo da espiga. O pendural utilizado nesta linha é composto por um sistema que o faz rodar sobre si próprio, para que as garrafas rodem consigo quando acoplados. Estes pendurais rotativos são utilizados em linhas que contêm postos de metalização e pintura, para que as pistolas se movam apenas num eixo vertical, enquanto a garrafa roda sobre um segundo eixo. A caixa do pendural encontra-se representada na Figura 3.5. Este é uma caixa apenas aberta de um dos lados, e que contém no interior dois entalhes onde a espiga será encaixada. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 16 Ana Rita S. Ribeiro | 3.Análise de Sistemas de Elevação Automáticos Existentes na AMTROL-ALFA Figura 3.4 – Espiga utilizada no sistema da Fábrica #2 Figura 3.5 – Pendural utilizado no sistema da Fábrica #2 3.1.3 Sensores/Detetores Utilizados Nestes sistemas são utilizados microinterruptores. No sistema de colocação das garrafas no transportador aéreo é utilizado um microinterruptor para detetar a chegada da garrafa ao local de elevação e ativar o fecho dos braços. No sistema que as retira, é utilizado um microinterruptor para detetar a chegada de uma garrafa no transportador aéreo e outro para detetar o não desacoplamento da espiga ao pendural. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 3.Análise de Sistemas de Elevação Automáticos Existentes na AMTROL-ALFA 17 3.1.4 Garrafas a Transportar As garrafas a transportar têm as seguintes caraterísticas: Tabela 3.1 – Especificações limite das garrafas a transportar na Fábrica #2 Diâmetros5 [mm] Diâmetro mínimo 202 Diâmetro máximo 320 Pesos6 [kg] Peso mínimo 4 Peso máximo 16 Alturas do corpo7 [mm] Altura mínima 220 Altura máxima 540 Altura máxima da gola [mm] 188 Pela análise da Tabela 3.1 percebe-se que as caraterísticas destas garrafas se concentram numa gama mais reduzida de alturas, em relação às caraterísticas das garrafas a transportar na linha da Fábrica #1. Para além de se tratar de uma gama menor, estas são garrafas com alturas próximas da menor garrafa em fabrico na Fábrica #1, o que também se reflete no seu menor peso. 3.1.5 Tempos de Ciclo O tempo de ciclo deste equipamento, geralmente, não sofre alterações, apesar das diferentes garrafas em produção. Entre o acoplamento de uma garrafa e o acoplamento da seguinte decorrem 10s, sendo que o transportador aéreo se encontra programado para funcionar à velocidade máxima permitida. 3.1.6 Outras Especificações Para o processo de colocação das garrafas no transportador aéreo, é necessário travar as garrafas para que se apresentem ao sistema automático no tempo e na posição adequados. É utilizado um sistema de acionamento pneumático – Figura 3.6. 5 Valores aproximados. 6 Valores estimados. Incluído peso da espiga. 7 Alturas medidas da base do pé à bolacha. Valores aproximados. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 18 Ana Rita S. Ribeiro | 3.Análise de Sistemas de Elevação Automáticos Existentes na AMTROL-ALFA Figura 3.6 – Travão do sistema de colocação de garrafas da Fábrica #2 Dada a configuração dos pendurais, é necessário o seu posicionamento em ambos os postos. Este é um posicionamento preciso e feito unicamente numa posição. O sistema de posicionamento integrado no transportador aéreo é composto por uma corrente, que faz o pendural rodar, e umas guias que orientam o pendural e o mantêm em posição fixa (Figura 3.7) cujo desenho de conjunto se encontra no Anexo A. O pendural compreende dois orientadores de forma a poder ser orientado. Figura 3.7 – Sistema de orientação dos pendurais rotativos 3.2 Sistema aplicado na Fábrica #3 3.2.1 Descrição Geral Na Fábrica #3 não existe sistema de colocação automática das garrafas, mas apenas sistema para as retirar do transportador aéreo. Este é um sistema diferente dos da Fábrica #2, sendo apenas constituído por um braço e assegurando apenas o movimento vertical. O acionamento principal é mecânico (fuso e porca de esferas) e o acionamento do braço é pneumático. O esquema pode ser observado na Figura 3.8 e o desenho de conjunto do sistema encontra-se no Anexo A. O desenho do anexo é o desenho inicial, que continha dois braços. O sistema implementado resultou de uma adaptação do projeto inicial. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 3.Análise de Sistemas de Elevação Automáticos Existentes na AMTROL-ALFA 19 Figura 3.8 – Sistema para retirar garrafas utilizado na fábrica #3 O braço é constituído por uma armação em forma de mão humana, indicada na Figura 3.9 com a), e por uma patilha, b), acionada pneumaticamente. Esta patilha tem uma função semelhante a um polegar e quando avança, fecha a garra, empurrando a garrafa contra a armação, para que esta fique presa. Figura 3.9 – Pormenor do braço que retira as garrafas do transportador na fábrica #3 3.2.2 Definição do conjunto pendural e espiga O pendural utilizado na Fábrica #3, representado na Figura 3.10, é muito semelhante ao utilizado na Fábrica #2. Apenas os distingue o facto de este ter abertura de dois lados, o que permite que possa receber a espiga em duas posições diferentes. Este é também um tipo de pendural rotativo. A espiga tem o mesmo formato da utilizada na Fábrica #2 tendo, no entanto, dimensões diferentes. O conjunto espiga pendural pode ser observado na Figura 3.11. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 20 Ana Rita S. Ribeiro | 3.Análise de Sistemas de Elevação Automáticos Existentes na AMTROL-ALFA Figura 3.10 – Pendural utilizado na fábrica #3 Figura 3.11 – Conjunto espiga/pendural utilizados na fábrica #3 3.2.3 Sensores/Detetores utilizados Este é um sistema que utiliza detetores óticos de proximidade:  Um para detetar a chegada da garrafa, integrado no corpo do sistema de elevação;  Dois, integrados no transportador aéreo, que detetam o pendural. O primeiro deteta a sua chegada, dando sinal para que a garrafa seja subida ligeiramente de forma a que a espiga seja desacoplada do pendural. O segundo sinaliza a saída do pendural do local de desacoplamento, dando sinal ao sistema para que desça a garrafa até ao tapete. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 3.Análise de Sistemas de Elevação Automáticos Existentes na AMTROL-ALFA 21 3.2.4 Garrafas a Transportar As garrafas a transportar têm as seguintes caraterísticas: Tabela 3.2 – Especificações limite das garrafas a transportar na Fábrica #3 Diâmetros8 [mm] Diâmetro mínimo 245 Diâmetro máximo 306 Pesos9 [kg] Peso mínimo 5 Peso máximo 9 Alturas do corpo10 [mm] Altura mínima 460 Altura máxima 507 Altura máxima da gola [mm] 188 Este é o sistema cujas garrafas tem a menor gama de alturas, e por isso mesmo, a menor gama de pesos. Tratam-se de garrafas com altura máxima próxima da altura mínima das garrafas a transportar pelo sistema a desenvolver, à semelhança do verificado na Fábrica #2. 3.2.5 Tempos de Ciclo A velocidade do transportador aéreo é geralmente mantida no valor máximo disponível. Assim sendo o tempo de ciclo mantém-se constante para todo o tipo de garrafa sendo de aproximadamente 12s. 3.2.6 Outras Especificações Este é um sistema automático cujo desenvolvimento advém das condições adversas de manipulação da garrafa à saída da estufa, daí não ter existido desenvolvimento de um sistema para colocar as garrafas no transportador e o processo ser realizado manualmente. A jusante do sistema encontra-se um tapete de correntes que transporta as garrafas sobre uma base de apoio individual. 8 Os diâmetros de pé e do corpo nem sempre são iguais. Na tabela são especificados diâmetros máximo e mínimo dos corpos aproximados. 9 Valores estimados. Incluído peso da espiga. 10 Alturas medidas da base do pé à bolacha. Valores aproximados. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 28 Ana Rita S. Ribeiro | 3.Análise de Sistemas de Elevação Automáticos Existentes na AMTROL-ALFA Na Tabela 3.4 são resumidas as caraterísticas do sistema a construir na Fábrica #1 e do seu espaço envolvente. Tabela 3.4 – Caraterísticas do sistema a construir na Fábrica #1 e do seu espaço envolvente Caraterística Descrição Caraterísticas das garrafas Gama alargada de alturas e pesos (nenhum sistema semelhante) Disponibilização das garrafas ao sistema Vertical, sobre tapete (como Fáb. #2) Transportador aéreo Perfil I (como Fáb. #3 e #5) Posicionamento e bloqueio dos pendurais Orientação com duas possibilidades sem bloqueio do pendural para o acoplamento (como Fáb. #3) Posicionamento das garrafas após retirada do transportador aéreo Vertical, diretamente sobre tapete (como Fáb. #2) Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente 29 4 Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente O sistema foi desenvolvido em três etapas básicas: a) definição dos movimentos básicos a integrar e respetivas equações de tempo; b) escolha do acionamento para o movimento principal (movimento vertical); c) desenvolvimento da estrutura do sistema e outros elementos. Neste capítulo são resumidos os pontos mais importantes de cada uma destas etapas, apresenta-se a solução encontrada e justificam-se as escolhas principais efetuadas. 4.1 Definição básica dos movimentos a integrar na solução De forma a escolher os movimentos básicos do equipamento a desenvolver, estudaram-se duas soluções para o sistema que colocará as garrafas no transportador aéreo e procedeu-se à sua análise e comparação. Baseada nesta comparação a AMTROL-ALFA pôde fazer uma escolha que serviu de base a todo o subsequente desenvolvimento do sistema. Inicialmente, as soluções apenas integraram a definição das funções básicas do sistema. Foram especificados movimentos a realizar e a variação dos tempos de realização de cada movimento. Nenhuma solução construtiva foi avançada, apenas se apresentaram duas soluções de princípio básicas. Nas duas soluções garantiram-se velocidades de movimento variáveis em função da velocidade do transportador aéreo e do tipo de garrafas a transportar. 4.1.1 Solução 1 Esta é uma solução mais simples nos movimentos e, dado este facto, mais simples na construção e programação. Propôs-se a criação de um posto de elevação com movimento principal vertical. O tapete de transporte seria paralelo e alinhado com o transportador aéreo continuando para além do posto de elevação para que este ficasse desocupado no caso do acoplamento da espiga ao pendural não ser bem-sucedido. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 30 Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente Movimentos garantidos O sistema apenas garante os seguintes movimentos:  Fecho da garra (ou sistema semelhante) sobre a garrafa – Figura 4.1;  Elevação da garrafa – Figura 4.2;  Descida a baixa velocidade da garrafa – Figura 4.4;  Abertura da garra (ou sistema semelhante) – Figura 4.5;  Retorno do sistema à posição inicial – Figura 4.6. Desta forma é necessário um tempo de espera pelo pendural – Figura 4.3 – que tem grande peso no tempo de ciclo. Figura 4.1 – Fecho da garra (ou sistema semelhante) sobre a espiga Figura 4.2 – Elevação da garrafa até ao ponto de acoplamento Figura 4.3 – Espera pela chegada do pendural ao ponto de acoplamento Figura 4.4 – Descida a baixa velocidade para encaixe da espiga no pendural Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente 31 Figura 4.5 – Abertura da garra (ou sistema semelhante) Figura 4.6 – Retorno do sistema à posição inicial No sistema proposto, no caso de uma falha no processo de acoplamento, a garrafa pode não ser bem posicionada no pendural e cair. Uma situação semelhante à representada na Figura 4.7 poderia ocorrer. Figura 4.7 – Queda de uma garrafa cujo acoplamento foi mal sucedido Variação das velocidades de movimento O tempo de ciclo é dependente da distância entre pendurais (valor fixo para qualquer tipo de garrafa) e da velocidade do transportador, segundo a equação: Eq. 1 Em que: tempo de ciclo distância entre pendurais (615 mm) velocidade do transportador aéreo (variável em função da garrafa) O tempo de espera pelo pendural é dependente das dimensões da espiga e do pendural, valores fixos, e ainda da velocidade do transportador aéreo: Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 32 Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente Eq. 2 Em que: tempo de espera pelo pendural diâmetro máximo da espiga (50 mm) largura do pendural (55 mm) O tempo que resulta para todos os outros movimentos é calculado pela diferença entre o tempo de ciclo e o tempo de espera, corrigido com um fator de segurança de 1,2. Este fator de segurança foi considerado de forma a compensar as tolerâncias pouco rígidas de construção e montagem dos pendurais. Eq. 3 Em que: tempo para os restantes movimentos O tempo de agarrar e largar a garrafa será igual para todas as garrafas a transportar, assim como o tempo que leva a pequena descida da espiga para posicionamento no pendural. Estes tempos deverão ser o mais rápido possível para que o movimento principal não tenha que ser feito a uma velocidade demasiado elevada. O tempo de subida e descida será então calculado pela equação: Eq. 4 Em que: tempo de cada um dos movimentos de subida e descida da garra soma dos tempos de abertura e fecho da garra tempo da pequena descida de posicionamento da espiga A velocidade de subida e descida será então: Eq. 5 Em que: velocidade de subida e descida curso de elevação O tapete inferior deverá conter um batente, sincronizado com o sistema de colocação das garrafas no transportador aéreo, para que as garrafas sejam libertadas no tempo adequado. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente 33 4.1.2 Solução 2 A segunda solução proposta compreendeu dois movimentos principais, vertical e horizontal. Desta forma, pretendeu-se eliminar os tempos de espera e assim reduzir-se o tempo de ciclo. Com o movimento vertical far-se-ia a elevação da garrafa, à semelhança da primeira solução, e o movimento horizontal permitiria que o sistema de elevação fosse ao encontro do pendural, o que possibilitaria então a eliminação do tempo de espera. Para garantir o escape da garrafa do local de carga, o sistema integraria um componente que confirmaria o acoplamento e no caso de falha a garrafa seria levada até um buffer. Movimentos Garantidos O sistema integraria os seguintes movimentos:  Fecho da garra (ou sistema semelhante) sobre a garrafa – Figura 4.8;  Elevação da garrafa em simultâneo com o transporte horizontal de encontro ao pendural – Figura 4.9;  Ativação do elemento de posicionamento do pendural relativamente à espiga – Figura 4.10;  Descida a baixa velocidade da garrafa – Figura 4.11;  Abertura da garra (ou sistema semelhante) em simultâneo com a desativação do elemento de posicionamento – Figura 4.12;  Retorno do sistema à posição base com os movimentos vertical e horizontal em simultâneo – Figura 4.13. Figura 4.8 - Fecho da garra (ou sistema semelhante) sobre a espiga Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 34 Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente Figura 4.9 – Movimentos vertical e horizontal simultâneos Figura 4.10 – Confirmação do correto posicionamento do pendural Figura 4.11 – Acoplamento da espiga ao pendural Figura 4.12 – Abertura da garra (ou sistema semelhante) e desativação de elemento de posicionamento do pendural Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente 35 Figura 4.13 – Retorno à posição inicial No caso de falha no acoplamento, os movimentos seriam:  Fecho da garra (ou sistema semelhante) sobre a garrafa – Figura 4.8;  Elevação da garrafa em simultâneo com o transporte horizontal de encontro ao pendural – Figura 4.9;  Ativação do elemento de posicionamento do pendural relativamente à espiga – Figura 4.10;  Desativação do elemento de posicionamento do pendural – Figura 4.14;  Descida da garrafa até ao buffer – Figura 4.15;  Abertura da garra (ou sistema semelhante) – Figura 4.16;  Translação até à posição inicial – Figura 4.17. Figura 4.14 – Deteção da falha no posicionamento do pendural relativamente à espiga Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 36 Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente Figura 4.15 – Descida da garrafa até ao buffer Figura 4.16 - Abertura da garra (ou sistema semelhante) Figura 4.17 – Avanço da garrafa no buffer e retorno do sistema à posição inicial Variação das Velocidades dos Movimentos O tempo de ciclo, tc, desta solução é calculado da mesma forma que o da solução anterior. O tempo em que o movimento sincronizado deverá ser feito vai depender do curso de elevação, ce. Se , sendo ct o curso de translação, deverá definir-se a velocidade do movimento de subida/descida, ou seja: Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente 37 Eq. 6 Eq. 7 Se deverá ser estipulada a velocidade do movimento de translação: Eq. 8 Eq. 9 No caso de o acoplamento da espiga ao pendural não ser bem-sucedido, o movimento deverá ter outras limitações. O movimento de descida será independente do movimento de translação de retorno à posição base e será necessário definir a velocidade do tapete que serve de buffer à garrafa não acoplada, para que esta não choque com a garrafa que vai no transportador aéreo à sua frente. Deverá evitar-se de igual forma o choque com a garrafa que atrás desta é transportada. As velocidades de descida e translação de retorno à posição base devem ser tais que permitam que a soma do tempo que cada movimento leva seja o mesmo tempo que levaria o movimento simultâneo. Assim, os tempos e velocidades para cada um dos movimentos deverão ser calculados pelas equações: Se : ( ) Eq. 10 Eq. 11 Eq. 12 Eq. 13 Em que: tempo de descida tempo de subida calculado de igual forma ao anteriormente definido velocidade de descida Se : Eq. 14 Eq. 15 Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 44 Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente Figura 4.23 – Aspeto final da garra e carruagem Para a escolha dos cilindros de acionamento do movimento da garra seguiram-se os passos descritos na Tabela 4.3. Foi considerada uma distribuição igual pelos dois cilindros do esforço de arranque devido à massa. Tabela 4.3 – Parâmetros de seleção do cilindro de acionamento do movimento da garra Fórmulas utilizadas DADOS DE ENTRADA m  7 kg a  1,25 m/s2 µa = 0,3514 F  77,8 N P – peso µa – coeficiente de atrito estático PARÂMETROS DE SELEÇÃO Фemb  12,8 mm L  240 mm CARATERÍSTICAS SELECIONADAS Фemb = 20 mm L = 250 mm Foram selecionados cilindros da série CM2 da SMC. A escolha de um diâmetro do êmbolo de 20 mm deveu-se a este ser o menor diâmetro para cilindros desta série. 14 Coeficiente de atrito estático entre aço/bronze (Paradigm, 2013) Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente 45 4.3.3 Fuso Inicialmente a seleção do fuso foi feita através da aplicação de seleção no site da REXROTH. Foram utilizados os dados representados na Tabela 4.4. Tabela 4.4 - Parâmetros de seleção do fuso e fêmea de esferas Fórmulas utilizadas DADOS DE ENTRADA vmax  14,4 m/min amax  0,52 m/s2 Fmax  1400 N Cmax = 1200 m n = 1500 rpm ( ) mgarrafa = 55 kg mgarra  85 kg g = 9,81 m/s2 PARÂMETROS DE SELEÇÃO Passo  9,6 mm Diâmetro mínimo (função L) CARATERÍSTICAS SELECIONADAS p = 20 mm Фemb = 40 mm L = 2000 mm A escolha de um passo de 20 mm e não de 10, 12 ou 16mm (valores também disponíveis) deveu-se a que com este valor não serão necessárias velocidades de rotação tão elevadas para se conseguirem as velocidades lineares requeridas pelo sistema. Após a seleção inicial do fuso procedeu-se à escolha do motor de acionamento, cuja seleção se encontra justificada na secção 4.3.4. Motor. Após esta etapa foi necessário recalcular os parâmetros de seleção do fuso dado a velocidade atingida pelo servomotor escolhido ser o dobro da inicialmente considerada. Desta forma, foi possível reconsiderar as velocidades lineares e criaram-se algumas limitações às velocidades e rampas de aceleração/desaceleração para diferentes intervalos de alturas das garrafas. A partir dos limites foi possível desenhar os ciclos de trabalho do sistema para as garrafas de alturas limite, Gráfico 4.1 e Gráfico 4.2, e a partir destes fazer uma seleção do fuso mais adaptada às funções do sistema. A velocidade máxima do sistema foi aumentada de 240 mm/s para 280 mm/s e foram colocadas as restrições apresentadas na Tabela 4.5. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 46 Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente Tabela 4.5 – Restrições de velocidade e tempo de aceleração/desaceleração ALTURA GARRAFA (mm) VELOCIDADE (mm/s) RAMPA (m/s2) [440 ; 1197] 280 0,5 [1197 ; 1450] 200 0,5 DESCIDA PARA ACOPLAMENTO ESPIGA/PENDURAL [440 ; 1450] 100 0,25 Gráfico 4.1 – Ciclo de trabalho de uma garrafa com 454 mm de altura Gráfico 4.2 – Ciclo de trabalho de uma garrafa com 1408 mm de altura -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Velocidade (m/s) Descendente Ascendente   Tempo (s) Ciclo de trabalho - Garrafa 454 mm -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Velocidade (m/s) Descendente Ascendente   Tempo (s) Ciclo de trabalho - Garrafa 1408 mm Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente 47 Para se poder avançar com os novos valores de velocidade e os ciclos de trabalho correspondentes foi necessário confirmar se os tempos de espera destes ciclos se encontravam de acordo com os tempos de espera exigidos, calculados na secção 4.1.3 Análise das Soluções Propostas. Segundo os cálculos efetuados, o tempo de espera mínimo para a garrafa de menor altura seria de 1,6 s e para a garrafa de maior altura 1,9 s. Com estes ciclos de trabalho têm-se, para a garrafa menor um tempo de espera de 2,2 s e para a garrafa maior 11,5 s o que se encontra acima dos tempos de espera mínimos exigidos. Para a nova escolha do fuso utilizou-se o guia de seleção fornecido no site da NSK, mais especificamente o tutorial B-2-16 Ball Screw Selection Exercise (Motion & Control | NSK, 2013). Os passos seguidos encontram-se descritos na Tabela 4.6 e na Tabela 4.8. Tabela 4.6 – Dados de entrada para a seleção do fuso segundo (Motion & Control | NSK, 2013) Fórmulas utilizadas DADOS DE ENTRADA mestrutura = 85 kg mgar.454 = 11 kg mgar.1408 = 55 kg Cmax = 1 600 m vmax  16 800 mm/min Vida útil = 24 000h nmax = 3 000 rpm Apoio duplo – Apoio simples Tabela 4.7 – Seleção inicial das principais caraterísticas segundo (Motion & Control | NSK, 2013) Fórmulas utilizadas PASSO p  5,6 mm Passo selecionado = 20 mm COMPRIMENTO L  2 200 mm Comp. total = 2 200 mm Alt. estrutura garra: A = 350 mm Zonas de apoio: PA = 150 mm Margem de erro: E = 100 mm DIÂMETRO Φ  31,43 mm Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 48 Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente Tabela 4.8 – Alteração das caraterísticas principais em função da segurança básica (Motion & Control | NSK, 2013) Fórmulas utilizadas CARGAS AXIAIS Aceleração/desaceleração: 1 = 0,5 m/s2 ; 2 = 0,5 m/s2 3  0,25 m/s2 Forças gar. 454 mm: F1=893,76 N; F2/ F5=941,76 N F3/F4=989,76 N; F6/F9=855,10 N F7=791,35 N; F8=833,85 N Forças gar. 1408 mm: F1=1303,40 N; F2/ F5=1373,40 N F3/F4=1443,40 N; F6/F9=855,10 N F7=791,35 N; F8=833,85 N  – Tabela 4.5 ( ) ( ) ( ) CARGA DE ENCURVADURA Φ  15,69 mm ( ) Comp. livre - Ll = 2200-150 [mm] 1 – Tabela 4.9 VELOCIDADE DE ROTAÇÃO PERMITIDA Φ  23,38 mm Φ = 40 mm 2 – Tabela 4.9 n – velocidade de rotação máxima efetiva – Tabela B.1 do Anexo B Tabela 4.9 – Valores dos fatores de carga de encurvadura e fator de velocidade crítica (Motion & Control | NSK, 2013) CONDIÇÕES DE SUPORTE Fator de carga de encurvadura 1 Fator de velocidade crítica 2 Fixo - Fixo 19,9 21,9 Fixo – Apoio Simples 10,0 15,1 Fixo - Livre 1,2 3,4 Apoio simples – Apoio simples 5,0  Os rolamentos das chumaceiras inferior e superior foram selecionados através da carga dinâmica equivalente, Ca, e da carga estática equivalente, C0a. Estes cálculos foram também seguidos pelo tutorial B-2-16 Ball Screw Selection Exercise (Motion & Control | NSK, 2013). Para auxiliar o cálculo construíram-se as Tabelas C.1 e C.4 e seguiram-se os passos Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente 49 representados nas Tabelas C.2 e C.5 do Anexo C. A seleção dos rolamentos foi feita tendo em consideração os dados representados na Tabela 4.10. Tabela 4.10 – Seleção dos rolamentos de apoio do fuso (Rolamentos FAG Ltda., 1999) CHUMACEIRA INFERIOR CHUMACEIRA SUPERIOR Tipo de rolamento de contacto angular de esferas fixo de esferas Camax [kN] 15,79 C0amax [kN] 2,89 Diâmetro do eixo [mm] 25 30 Rolamento selecionado 3305-DA-TVP 6306-2RSR Carga dinâmica [kN] 30 23,2 Carga estática [kN] 36,5 16,2 Os esforços provocados pelo veio serão maioritariamente axiais, apesar de surgirem esforços radiais devidos à rotação do veio. Por isso, para a chumaceira inferior selecionou-se um rolamento de contacto angular de duas carreiras de esferas, com boa aptidão para suportar esforços radiais e axiais em ambos os sentidos. A escolha de um rolamento de duas carreiras, em prol de uma montagem de dois rolamentos de contacto angular de uma carreira, deveu-se ao menor custo e à maior facilidade de montagem. A seleção de um rolamento da série DA prendeu-se com a capacidade de admitir cargas axiais elevadas devido ao ângulo de 45° (superior aos 35° das séries normais). A chumaceira e a montagem do rolamento foram feitas de forma a que este fosse totalmente fixo na parte inferior (Figura 4.24). O apoio superior servirá apenas para guiamento do fuso e para absorver pequenas cargas radiais devidas à rotação e, como tal, foi selecionado um rolamento fixo de esferas com boa aptidão para admitir cargas radiais e de baixo custo. A sua montagem foi feita garantindo um apoio com deslizamento para que alterações dimensionais do fuso, devidas à temperatura, possam ser compensadas. As chumaceiras e a montagem dos rolamentos podem ser encontradas na Figura 4.24. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 50 Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente Figura 4.24 – Desenho 2D das chumaceiras de apoio do fuso A folga para acomodação das alterações dimensionais devidas à temperatura foi calculada tendo em conta que os fusos são fabricados em aço de alta qualidade, aço para rolamentos e aço de cementação e admitem temperaturas de serviço contínuo de 80 °C e uma temperatura de 100 °C para períodos curtos (Rexroth - Bosch Group, 2001). O coeficiente de expansão térmica linear para este tipo de aços não ultrapassa os 20 µdeformação/°C e este é definido como (Granta Design Limited, 2012): [ ] Em que: L – comprimento de funcionamento do fuso (L=2080 mm) ∆L – expansão linear do fuso (mm) ∆T – intervalo máximo de temperatura (considerando temperatura ambiente 25 °C) Então, com um comprimento do fuso de 2080 mm e uma temperatura de serviço máxima de 100 °C (∆T = 100 – 25 = 75 °C) teremos uma expansão máxima possível de 3,12 mm. Construiu-se por isso uma chumaceira com uma folga de 3,5 mm entre o anel elástico e a porca de segurança. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente 51 4.3.4 Motor Na escolha do motor foi inicialmente considerada a utilização de um motor de ataque direto, dado serem necessárias para o sistema altas velocidades e um baixo binário – Tabela 4.11. Foram postos em consideração dois motores trifásicos semelhantes de diferentes potências, 0,55 ou 0,75 kW. Com o avançar do projeto, surgiu a necessidade de este motor realizar também um movimento a uma velocidade significativamente inferior à velocidade máxima necessária e, como tal, foi necessário reconsiderar a escolha inicial. Assim, pelas necessidades de variação de velocidade e pelas exigências do sistema quanto ao tempo de ciclo, horas de trabalho anuais e controlo em posição foi sugerida a inserção de um servomotor para acionamento do fuso. Esta solução sobrepôs-se em vantagens à anteriormente considerada e economicamente não trouxe um aumento significativo. Foi escolhido um servomotor síncrono da gama CMP da SEW, com binário nominal de 5,3 N.m, com resolver e freio integrados. Tabela 4.11 – Parâmetro de seleção do motor de acionamento do fuso (Rexroth - Bosch Group, 2001) Fórmulas utilizadas DADOS DE ENTRADA vmax = 0,28 m/s vmin = 0,1 m/s amax = 0,5 m/s2 F  1443,4 N PARÂMETROS DE SELEÇÃO Potef > 0,36 kW Bar > 6,38 N.m Bre > 4,59 N.m nnec = 840 rpm Pot – potência Bar – Binário de arranque Bre – Binário resistente e ’ - Rendimentos S15 – F.S. (1,25) CARATERÍSTICAS SELECIONADAS Bn = 5,3 N.m Bp = 21,4 N.m n = 3000 rpm Bn – Binário nominal Bp – Binário pico dinâm. 15 (INA Rodamientos, s.a., 2002) Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 52 Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente 4.3.5 Guias Lineares e Patins de Guiamento A decisão de se guiar a estrutura em quatro patins prendeu-se com a durabilidade que se exige ao sistema. Distribuir os esforços pelos dois lados da estrutura e por dois patins em cada uma das laterais permite que a solicitação a cada patim seja razoavelmente menor e assim se aumente a sua durabilidade. Os patins e a respetiva guia foram selecionados do catálogo de sistema de guiamento linear da INA (INA Iberia, s.l., 2004). Tabela 4.12 - Parâmetro de seleção do motor de acionamento do fuso Fórmulas utilizadas DADOS DE ENTRADA M0y = 595 N.m M0z = 221 N.m PARÂMETROS DE SELEÇÃO M0y  595/4 (149 N.m) M0z  221/4 (56 N.m) CARATERÍSTICAS SELECIONADAS M0y = 395 Nm M0z = 395 Nm 4.4 Análise Estrutural da Garra Dados os elementos da garra, a sua estrutura e a carruagem estarem sujeitos ao esforço provocado pelo peso das garrafas a transportar, foi necessário fazer-se uma análise estrutural dos elementos principais de forma a se tirarem conclusões sobre a capacidade da estrutura aguentar os esforços aos quais estará sujeita. A estrutura principal de suporte não fez parte desta análise dado os esforços serem maioritariamente absorvidos pelos patins de deslizamento. Utilizou-se o software Abaqus/CAE 6.12-3 que permitiu fazer uma análise através do Método dos Elementos Finitos. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente 53 4.4.1 Elementos da estrutura a analisar e propriedades mecânicas atribuídas Foram submetidos à análise apenas os elementos sujeitos aos maiores esforços. Como se pode ver na Figura 4.25, estes elementos são as duas partes da garra, as bases superior e inferior da estrutura, os espaçadores de fixação das duas bases, as placas de bronze sobre as quais a garra deslizará e a chapa quinada de ligação da garra ao corpo principal do sistema (carruagem). Figura 4.25 – Elementos da garra submetidos a análise Para o estudo foram utilizados dois materiais aplicados aos diferentes elementos cujas propriedades mecânicas podem ser consultadas na Tabela 4.13. Tabela 4.13 – Propriedades mecânicas dos materiais associados a cada elemento (Granta Design Limited, 2012) E (GPa) ν Elemento 210 0,33 Chapa Quinada, Bases superior e inferior, Espaçadores e Garra 90 0,35 Placas de Bronze 4.4.2 Condições de fronteira e de contacto e cargas aplicadas A estrutura base da garra foi fixada com encastramento na zona de montagem da fêmea de esferas do fuso tal como pode ser observado na Figura 4.26. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 60 Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente Figura 4.40 – Pormenor dos deslocamentos sofridos pela garra Nos gráficos das Figura 4.37 à Figura 4.40 podem visualizar-se os seguintes dados:  Tensão máxima:   40 MPa  Deslocamento máximo: 0,86    0,94 mm Com a 3ª simulação foi possível confirmar todas as conclusões formuladas anteriormente. No entanto, esta simulação provou-nos que a parte esquerda da garra sofrerá maiores deslocamentos do que a parte direita, mesmo quando sujeitas ao mesmo esforço. Esta conclusão provém dos dados obtidos com a 1ª simulação e é confirmada através da disparidade dos resultados entre a 2ª e 3ª. Esta diferença nas deformações deve-se, muito provavelmente, à assimetria existentes nas duas partes da garra, o furo roscado da parte direita e a assimetria das chapas de apoio, que contêm apenas rasgos do lado direito. 4.5 Projeto do espaço envolvente 4.5.1 Posto de colocação das garrafas no transportador aéreo O posto de colocação das garrafas no transportador aéreo é o que sofrerá maiores alterações. Neste posto será necessário montar um transportador de correntes que fará o transporte das garrafas desde a saída do posto de metalização até ao local de elevação. Será necessário criar um buffer no qual as garrafas fiquem temporariamente armazenadas, para que um operador possa manualmente roscar as espigas às bolachas das garrafas. Para tal, será necessário retirar do espaço atual o transportador de correntes existente e a plataforma onde o operador se situava para colocar as garrafas no transportador. As alterações necessárias encontram-se representadas na Figura 4.41. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente 61 Figura 4.41 – Planta da zona de colocação de garrafas no transportador aéreo. À esquerda antes das alterações, à direita após alterações O aspeto final do transportador pode ser visualizado na Figura 4.42. Figura 4.42 – Imagem 3D do transportador de correntes da zona de colocação das garrafas no transportador aéreo Para a motorização do transportador selecionou-se um motor-redutor trifásico com engrenagens cónicas, KAF77DRE90L4, com potência nominal 1,5 kW, velocidade de saída 13 rpm, e um variador de frequência MC07B0015-5A3-4-00 da SEW. A seleção do motor para este transportador de correntes baseou-se nos dados apresentados na Tabela 4.14. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 62 Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente Tabela 4.14 – Parâmetros de seleção do motor-redutor do transportador de correntes Fórmulas utilizadas DADOS DE ENTRADA L = 5250 mm 5 < v < 10 m/min Pmax = 800 kg Pc = 8 kg/m µa = 0,8 Фcm = 255 mm L – comprimento total do transportador v – velocidade linear Pmax – Peso máximo a transportar Pc – Peso da corrente µa – coeficiente de atrito de aço/aço (Paradigm, 2013) PARÂMETROS DE SELEÇÃO Pot  1,1 kW nA  12,5 rpm nA – velocidade de saída do moto-redutor CARACTERÍSTICAS SELECIONADAS Potmotor = 1,5 kW  98 % nM = 1430 rpm nA = 13 rpm - rendimento do redutor de engrenagens cónicas16 nM – velocidade nominal do motor Na criação do buffer foi utilizado um travão, acionado pneumaticamente, já utilizado noutras instalações da fábrica, posicionado em cima do transportador de correntes. Este é um travão composto por duas partes iguais, cada uma delas com um braço movimentado através de um cilindro pneumático. O seu aspeto pode ser observado na Figura 4.43. A montagem sobre o transportador encontra-se representada na Figura 4.44. Figura 4.43 – Travão de garrafas 16 (SEW Eurodrive, 2006) Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente 63 Figura 4.44 – Montagem do travão de garrafas Para a centragem das garrafas com a garra foi necessário pensar num elemento que não só centrasse as garrafas mas que funcionasse também como travão. Este teria que ser um elemento facilmente ajustável aos diferentes diâmetros das garrafas em produção. Criou-se para o efeito um batente, montado sobre uma chapa quinada, que se encontra representado na Figura 4.45. Esta chapa contém umas abas de posicionamento sobre o transportador, para que esta não sofra nenhuma rotação quando deslocada, e um rasgo onde será apertado um parafuso, que lhe confere a flexibilidade de adaptação aos diferentes diâmetros. Figura 4.45 – Montagem do posicionador de garrafas sobre o transportador de correntes Na Figura 4.46 pode-se ver um desenho 3D do posto de colocação das garrafas no transportador aéreo. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 64 Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente Figura 4.46 – Imagem 3D do posto onde as garrafas são colocadas no transportador aéreo 4.5.2 Posto de retiro das garrafas do transportador aéreo As alterações no posto em que as garrafas serão retiradas do transportador aéreo passam essencialmente por um deslocamento deste. Com vista à poupança económica, pretende-se que se recicle a maior quantidade possível de perfil I e tentou-se fazer apenas uma alteração ao desvio atualmente existente. As alterações podem ser observadas na Figura 4.47. Figura 4.47 – Planta do posto em que se retiram as garrafas do transportador aéreo. À esquerda antes das alterações, à direita após alterações Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente 65 No transportador de rolos já existente, foi inserido um travão, semelhante ao utilizado no posto de colocação das garrafas no transportador aéreo, também para criar um buffer onde o operador possa retirar as espigas das garrafas (Figura 4.48). Figura 4.48 – Imagem 3D do posto onde as garrafas são retiradas do transportador aéreo 4.6 Alterações ao conjunto espiga/pendural Com o desenvolvimento do projeto e como explicado na secção 4.3.2 Garra foi necessário realizar uma pequena modificação à espiga e por consequência ao pendural. A alteração à espiga refletiu-se numa diminuição ao comprimento de maior diâmetro, para ser possível a deteção do acoplamento. Foi ainda realizado um aumento em 50 mm do comprimento total, para que existisse espaço suficiente para a garra deslizar sem bater na gola da garrafa após o acoplamento – Figura 4.49. Foram, no entanto, mantidas todas as restantes dimensões definidas pela AMTROL-ALFA. Figura 4.49 – Descida da garra para acoplamento da espiga ao pendural Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 66 Ana Rita S. Ribeiro | 4.Desenvolvimento dos elementos mecânicos do sistema e espaço envolvente Este aumento do comprimento total da espiga levou a que o pendural tivesse que ser diminuído na mesma proporção, por forma a compensar a diminuição do espaço livre abaixo da garrafa quando pendurada no transportador aéreo. Se fosse apenas aumentado o comprimento da espiga e não se diminuísse o comprimento do pendural as garrafas, depois de penduradas no transportador aéreo, acabariam por embater com o batente mecânico do transportador de correntes no posto de colocação das garrafas no transportador aéreo. Após estas alterações, o curso de elevação das garrafas aumentou, e como tal foi necessário recalcular os ciclos de trabalho de forma a confirmar-se se os tempos de espera respeitariam os tempos de espera mínimos exigidos. Para os novos cursos a percorrer e com as velocidades de 280 mm/s e 200 mm/s para as garrafas menores e maiores conseguem-se tempos de espera de 1,6 s e 10,7 s, respetivamente. Dado estes tempos de espera serem iguais ou superiores aos tempos de espera mínimos exigidos (1,6 e 1,9 s) o processo continua a poder realizar-se com as alterações dimensionais efetuadas. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 5. Automação do Equipamento 67 5 Automação do equipamento Neste capítulo foi desenvolvido um processo de automatização do sistema, aplicando tecnologias que o tornam o mais automático possível e que garantem as condições de segurança necessárias aos operadores que ainda assim necessitem de acesso à zona de trabalho, quer por operarem em postos adjacentes, quer por necessidades de manutenção ou limpeza. Para isso, após a seleção dos elementos de comando tais como controlador do servomotor e válvulas para comandar os cilindros pneumáticos, apresenta-se a seleção de todos os detores automáticos que apoiam a lógica do sistema. Dado a segurança ser um ponto importante em qualquer máquina, foi feita uma avaliação de risco, através de um procedimento implementado na AMTROL-ALFA e procedeu-se à redução dos riscos encontrados através de medidas protetoras. Para apoiar a programação, que não foi desenvolvida neste trabalho, desenharam-se alguns GRAFCET’s funcionais que explicitam os diferentes modos de funcionamento do sistema, que serão, modo manual, modo automático e modo semiautomático. Definiram-se ainda os estados de emergência, quanto ao tipo de atuação que os impõe e ainda quanto ao funcionamento permitido após rearme. Por fim, após definidas todas as necessidades do sistema, foi possível fazer a seleção de um autómato programável e de uma HMI e ainda desenhar esquemas do circuito elétrico. 5.1 Elementos de comando 5.1.1 Comando e Controlo do Servomotor A escolha do servo drive foi inerente à escolha do próprio servomotor e recaiu sobre um MOVIDRIVE B MDX61B0005-5A3-4-00 da SEW que fará o controlo total do servomotor. Este comunicará com o autómato de forma a se conseguir a integração total das funções do sistema. As caraterísticas de relevo deste servo drive para as funções pretendidas são as seguintes (SEW Eurodrive, 2010): Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 68 Ana Rita S. Ribeiro | 5. Automação do Equipamento  Opção de resistência de frenagem;  Consumo de corrente nominal igual a 2 A e corrente máxima 4 A;  Equipado de origem com controlo de posição e sequência de movimentos através do sistema integrado IPOSPlus®;  Slot para carta de comunicação opcional para integração em sistemas Ethernet com PROFIsafe ou em sistemas CANopen;  Modo de controlo Current Mode Flux Control (CFC) que reage a mudanças de carga em poucos milissegundos;  8 entradas digitais isoladas;  6 saídas digitais, sendo uma delas por relé;  Entradas/saídas programáveis;  Controlo automático do freio através do inversor;  Total de quatro rampas de transição;  Interface RS485 para comunicação entre PLC/IPC e até 31 inversores;  Possibilidade de registo de movimentos no inversor ou PLC externo. No caso de se utilizar o inversor é possível associar ao registo do ponto alvo a velocidade e a rampa, existindo capacidade para definir e selecionar uma tabela até 32 posições. No caso de se utilizar um PLC para registo de movimentos apenas a posição e velocidade podem ser associadas. Associado ao registo de movimentos existem diferentes modos de operação disponíveis para controlar a máquina: a) Modo de trabalho – a máquina pode ser movimentada manualmente (inversor ou PLC); b) Referenciamento – o zero da máquina é determinado automaticamente por medição incremental da posição (inversor ou PLC); c) Aprendizagem – as posições guardadas podem ser corrigidas sem um dispositivo de programação (apenas inversor); d) Modo automático – o PLC de mais alto nível controla o processo automaticamente (inversor e PLC). 5.1.2 Válvulas direcionais e reguladores de pressão Toda a seleção recaiu sobre válvulas de conexão sobre o corpo de 1/8 da SMC. Pelas funções dos cilindros da garra, selecionou-se uma eletroválvula 5/2 biestável, para comando dos dois cilindros em simultâneo, por forma a impedir que, no caso de falha de energia de comando, o cilindro retomasse a sua posição base, correndo-se o risco de largar uma garrafa. Construiu-se a Tabela 5.1 de apoio à seleção da válvula para o comando dos cilindros da garra. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 5. Automação do Equipamento 69 Tabela 5.1 – Caraterísticas de seleção da válvula de comando dos cilindros da garra Fórmulas utilizadas DADOS DE ENTRADA Curso = 250 mm Фemb = 20 mm Q@6bar = 9,42 L/min Volume dos dois cilindros PARÂMETROS DE SELEÇÃO 5/2 biestável Conexões sobre o corpo Conexão 1/8 Qal = 65,23 Nl/min ( ) put – 6 bar patm – 1,01325 bar CARACTERÍSTICAS SELECIONADAS SYJ7223 Qal = 588,90 Nl/min Para limitar a força de atuação da garra de maneira a que, no caso de esta encontrar um obstáculo, não cause estragos nos cilindros ou no próprio elemento opositor ao movimento, foi necessário selecionar um regulador de pressão. A escolha recaiu sobre um regulador da série AR da SMC com corpo tamanho 20 e conexão 1/8 e com manómetro quadrado integrado – AR20-F02E – sendo este um regulador com faixa de ajuste de pressão de 0,5 a 8,5 bar. A sua montagem será feita através do conjunto de fixação AR20P-270AS. De forma a se poder ter uma força no avanço menor do que a força de aperto após o fecho da garra, acabou por se inserirem dois reguladores de pressão semelhantes, o anteriormente referido e outro regulado para 6 bar. Para se alternar entre os dois valores de pressão selecionou-se uma eletroválvula 3/2 monoestável de caraterísticas semelhantes à 5/2 biestável, SYJ712 com conexão 1/8 e 490,75 Nl/min. Para sinalizar a transição da alimentação de um valor inferior para os 6 bar escolheu-se um pressoestato digital de alta precisão também da SMC com conexão NPT 1/8 e saída PNP da série ISE30. O circuito pneumático de acionamento da garra pode ser encontrado na Figura 5.1. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 76 Ana Rita S. Ribeiro | 5. Automação do Equipamento  Eletrocussão, choque elétrico ou queimaduras – devido ao contacto com a corrente elétrica. Para o procedimento da análise de risco foram resumidos na Tabela 5.4 os limites funcionais da máquina e construídas a Tabela 5.5 à Tabela 5.7 com os riscos identificados e sua avaliação. Tabela 5.4 – Limites funcionais da máquina em avaliação de riscos Limites funcionais da máquina Velocidades máximas dos componentes mecânicos 260 mm/s e 840 rpm Força máxima devido a energia pneumática 188,5 N Peso máximo elemento mecânico 800 N Tabela 5.5 – Análise de risco da fase de regulação, condução/programação ou mudança de procedimento de fabrico Regulação, condução/programação ou mudança de procedimento de fabrico Uso industrial previsto Afinação dos detetores, estranguladores e outros elementos e inserção dos dados da garrafa em produção através de interface homem-máquina Utilizador previsto Técnico de manutenção ou operário de produção Evento/Situação perigosa Risco Situação de ocorrência P E S Significância Movimentação dos órgãos mecânicos Aprisionamento Normal 1 6 5 30 Ferimentos Normal 1 6 1 18 Esmagamento Normal 1 6 15 90 Fuga de ar comprimido Ferimentos oculares Normal 0,5 5 5 45 Ajustes dos detetores Queda a diferentes níveis Normal 1 5 5 50 Tabela 5.6 - Análise de risco da fase de funcionamento/operação Funcionamento/Operação Uso industrial previsto Colocação automática das garrafas no transportador aéreo Utilizador previsto Sem utilizador Evento/Situação perigosa Risco Situação de ocorrência P E S Significância Movimentação dos órgãos mecânicos Aprisionamento Normal 1 10 5 50 Ferimentos Normal 1 10 1 10 Esmagamento Normal 1 10 15 150 Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 5. Automação do Equipamento 77 Tabela 5.7 - Análise de risco da fase de limpeza, pesquisa de falhas e avarias e manutenção Limpeza, pesquisa de falhas e avarias e manutenção Uso industrial previsto Reparação de elementos mecânicos e elétricos, limpeza Utilizador previsto Técnico de manutenção ou operário Evento/Situação perigosa Risco Situação de ocorrência P E S Significância Substituição ou reparação dos elementos mecânicos Ferimentos Normal 1 5 1 5 Aprisionamento Normal 1 5 5 25 Esmagamento Normal 1 5 15 150 Queda a diferentes níveis Normal 1 5 5 25 Lesões músculo-esqueléticas Normal 1 5 5 25 Queda da garrafa quando elevada Esmagamento Normal 1 10 15 150 Fuga de ar comprimido Ferimentos oculares Normal 0,5 5 5 45 Contacto com a corrente elétrica Eletrocussão Normal 0,1 5 25 12,5 Choque elétrico Normal 0,5 5 15 37,5 Queimaduras Normal 0,5 5 5 12,5 Pela análise das tabelas percebe-se que a maioria dos riscos tem uma significância inferior a 70 e como tal são não significativos. Ainda assim, existe um risco, comum a diferentes etapas da fase de utilização da máquina, cuja significância ascende este valor e por isso foi necessário criarem-se medidas preventivas. Para a fase de utilização torna-se essencial a construção de um gradeamento em volta do sistema que limite o acesso à zona de trabalho da máquina. Só por si, este gradeamento diminuirá significativamente os riscos associados a esta fase dado o operador perder acesso ao sistema durante a sua movimentação automática. Para aumentar a segurança, a abertura da porta do gradeamento deverá garantir que a máquina se imobilize. A diminuição dos riscos nas fases de regulação, condução/programação ou mudança de procedimento de fabrico e manutenção e limpeza torna-se mais complicado pelo facto de o operário ou técnico necessitar de total acesso à máquina. Assim, medidas de segurança pessoal tais como, utilização de luvas de proteção, calçado de proteção antiderrapante, óculos de proteção e roupa de trabalho, terão que ser obrigatórias. Como medida de segurança coletiva deverá ser implementado um procedimento de manutenção bem divulgado. Deverá ainda utilizar-se sinalização visível sobre os riscos que não é possível eliminar. No que toca à ergonomia do sistema, no único processo onde o trabalho manual será mantido, foi construído uma plataforma elevada, sobre a qual o operador poderá trabalhar para evitar más posturas de trabalho. Em garrafas de maior altura o operador poderá utilizar a Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 78 Ana Rita S. Ribeiro | 5. Automação do Equipamento plataforma para ter melhor acesso à bolacha, e quando esta não for necessária pode facilmente ser posto de parte e o operador trabalhar no chão. As montagens dos dois postos podem ser encontradas na Figura 5.6 e na Figura 5.7, já com as grades de proteção e plataforma sobre a qual o operador trabalhará. Figura 5.6 – Montagem final do posto de colocação das garrafas no transportador aéreo Figura 5.7 – Montagem final do posto de retiro das garrafas do transportador aéreo Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 5. Automação do Equipamento 79 5.4 GRAFCETs O GRAFCET (Graphe Fonctionnel de Commande Etape/Transition) é uma metodologia de modelação de sistemas sequenciais, baseada num conceito de compreensão de um sistema complexo através da compreensão das particularidades de cada uma das suas partes e as interações resultantes da integração destas (Magalhães, 2011). Pela sua capacidade de modelar sistemas de diferentes complexidades, esta foi a metodologia utilizada para a modelação do sistema eletromecânico e pneumático do equipamento a construir. Para mais fácil perceção dos GRAFCET’s realizados apresentam-se na Figura 5.8 os pontos funcionais nos quais a máquina realizará paragens. Todos os GRAFCET’s podem ser encontrados no Anexo F. Figura 5.8 – Pontos funcionais dos ciclos de trabalho de cada um dos sistemas 5.4.1 Modos de funcionamento Modo manual O modo manual deverá ser selecionado através de painel e funcionar por comando sensitivo, ou seja, deverão existir botões relativos a cada um dos movimentos que, quando premidos continuamente, acionem os elementos responsáveis pelo movimento selecionado. A interrupção do movimento deverá ser automática quando o botão é largado ou são atingidos os detetores de fim-de-curso limitadores. Os movimentos a permitir no modo manual serão:  fecho da garra;  abertura da garra;  subida da carruagem, a velocidade constante e lenta;  descida da carruagem, a velocidade constante e lenta. Apenas poderá ser realizado um movimento de cada vez e, como tal, se o operador carregar simultaneamente em mais do que um botão a máquina deverá manter-se imóvel. Por Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 80 Ana Rita S. Ribeiro | 5. Automação do Equipamento segurança, dado os cilindros da garra serem comandados por uma válvula biestável, se o operador deixar de atuar o botão antes de os detetores de fim-de-curso de avanço serem ativados os cilindros deverão recuar e nenhum comando deve ser obedecido até que o recuo esteja completo. O modo manual terá como pré-condições de funcionamento:  alimentação elétrica e de ar comprimido sem problemas;  sistema em “NÃO EMERGÊNCIA”. Para o modo funcional serão utilizados como detetores de fim-de-curso os detetores indutivos da carruagem e não os pontos funcionais que dependem do tipo de garrafa. Este será o modo que deverá ser utilizado para operações de manutenção, quando a porta do gradeamento de segurança se encontra aberta, e todos os movimentos deverão ser feitos a velocidades baixas e com baixa capacidade de força, sempre que aplicável. Existirá uma função, apenas disponível no modo manual, que terá como função colocar todos os elementos do sistema na sua posição de início de ciclo. Esta função terá o nome “Inicializar” e será de comando sensitivo. Quanto esta função for selecionada, todos os elementos do sistema retornarão à posição de início de ciclo, com movimentos simultâneos ou por determinada prioridade, mas só se moverão enquanto o operador carregar no botão respetivo. Quando todos os elementos se encontrarem nas suas posições respetivas de início de ciclo o sistema encontrar-se-á no estado inicializado. Esta é uma função que será especialmente utilizada após uma paragem de emergência, para que o ciclo se inicie normalmente e que não ocorram movimentos inesperados quando o estado de emergência for rearmado. Modo semiautomático Neste modo, também selecionado por painel, o operador ou técnico poderá conduzir a máquina através da sequência de movimentos que esta faria em modo automático, passo a passo. Apenas dará permissão ao início de cada movimento, que finalizará quer o operador se mantenha ou não a carregar no botão de permissão. As pré-condições para o funcionamento em modo semiautomático serão:  alimentação elétrica e de ar comprimido sem problemas;  sistema inicializado;  estado de “EMERGÊNCIA” não ativo Em funcionamento semiautomático já serão utilizados os pontos de funcionamento descritos na Figura 5.8 como limitadores do curso da carruagem. Por segurança, no caso de a porta do gradeamento se encontrar aberta, os movimentos deverão ser realizados sem garrafa na zona de trabalho e a velocidades baixas. No entanto, se esta estiver fechada as velocidades serão as permitidas em modo automático e poderão elevarse garrafas. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 5. Automação do Equipamento 81 Modo automático Este modo apenas poderá ser selecionado num painel se o gradeamento se encontrar fechado e o sistema se encontrar inicializado. Trata-se do modo de funcionamento sem operador, com controlo total pelo autómato. As suas pré-condições de funcionamento são:  alimentação elétrica e de ar comprimido sem problemas;  sistema em estado “NÃO EMERGÊNCIA”;  sistema inicializado;  grade de proteção fechada. 5.4.2 Estados de emergência Serão considerados dois tipos de emergência na programação do sistema:  Emergência Local – relacionada com o sistema mas que poderá afetar outros elementos da linha de acabamento;  Emergência Global – emergências provocadas por falhas noutros elementos da linha de acabamento. Como emergências locais serão consideradas a atuação dos botões de emergência, a atuação dos detetores que limitam o curso da carruagem e a abertura da porta da grade de proteção. Já emergências globais serão a chegada de uma garrafa pendurada ao posto de colocação das garrafas no transportador ou emergências de outros postos da linha tal como o posto de pintura. Quando se der uma emergência local o sistema deverá ir para um modo não funcional (EMERGÊNCIA). Essa emergência deverá ser comunicada ao sistema global de controlo da linha de acabamento e só após a remoção da condição que originou a emergência poderá haver um rearme do sistema. Após o rearme este apenas poderá ser comandado em modo manual até que seja inicializado. Como a emergência global não afeta diretamente o sistema, quando nessa condição, este poderá somente interromper o seu funcionamento de um modo seguro, até que a situação de reposição da condição de NÃO EMERGÊNCIA GLOBAL volte a ocorrer. Esta interrupção pode verificar-se pelo impedimento da continuação da sequência na transição seguinte, ou pelo recuo ao estado anterior. Quando a condição de NÃO EMERGÊNCIA GLOBAL é reposta, então a próxima transição é permitida e a sequência é continuada. A falha de energia elétrica ou pneumática deverá ser tratada como um estado de emergência local mas com uma condição de reposição do funcionamento específica. Antes do rearme terá que se assegurar que nenhuma garrafa se encontra no espaço de trabalho do sistema. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 82 Ana Rita S. Ribeiro | 5. Automação do Equipamento 5.5 Autómato e Interface Homem-máquina 5.5.1 PLC A escolha do autómato prendeu-se com um dos parâmetros definidos na Especificação Técnica, de que qualquer autómato utilizado deveria ser Schneider. Após uma breve análise dos PLC utilizados na AMTROL-ALFA conclui-se que, por uma questão de manterem em stock PLCs de substituição, apenas são utilizados PLCs da gama Modicon, com diferentes processadores em função das exigências dos sistemas. Para o sistema desenvolvido um PLC da gama Twido seria provavelmente suficiente, no entanto, não se chegou a ponderar a sua escolha, de forma a manter-se a regra de seleção de PLCs adotada pela empresa na construção das suas máquinas. Assim, a escolha do PLC recaiu sobre um autómato Modicon M340, com um processador BMX P34 20302, por conter portas integradas no módulo de base de rede Ethernet TCP/IP, para comunicação com a HMI, e rede CANopen para comunicar com o servodrive. Este trata-se de um autómato modular, que se optou por conectar a um bastidor de 6 encaixes para receber os módulos descritos na Tabela 5.8. Tabela 5.8 – Módulos do PLC selecionado Qtd Referência Designação Caraterísticas 1 BMX CPS 2000 Módulo de alimentação Corrente Alternada, 100…240 V e 16,8 W 1 BMX DDI 3202K Entradas digitais 32 entradas isoladas 1 BMX DDO 1602 Saídas digitais 16 saídas protegidas 5.5.2 HMI A interface homem-máquina terá como principais funções funcionar como interface para a alteração dos parâmetros das garrafas em produção e para comandar a máquina nos diferentes modos de funcionamento. Através de uma HMI STU 655 da Schneider serão também dados a conhecer ao operador possíveis erros do sistema para que seja mais fácil detetar avarias ou problemas de funcionamento. As principais caraterísticas da HMI selecionada são:  Ecrã LCD TFT QVGA de 3.5” a cores;  Resolução de 320 x 240 pixels;  Porta Ethernet (10 BASE-T / 100 BASE-TX). Esquema de ecrãs Os ecrãs aparecerão ao operador segundo o esquema representado na Figura 5.9. Os botões a amarelo apenas estarão disponíveis mediante certas condições:  Modo semiautomático – fica disponível quando o sistema estiver inicializado;  Modo automático – disponível desde que o sistema se encontre inicializado e a grade de proteção fechada; Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 5. Automação do Equipamento 83  Inicializar – visível se existir um tipo de garrafa selecionado e o sistema tiver sofrido uma paragem inesperada, devido a um estado de emergência, por exemplo. Figura 5.9 – Esquema de menus e botões da HMI 5.6 Circuito elétrico Para a construção do quadro elétrico foi necessária a seleção de duas fontes de alimentação, uma para alimentação do circuito de potência, outra para alimentação do circuito de comando. Esta seleção foi feita tendo em conta os consumos de corrente de cada um dos circuitos, cujos valores se encontram representados na Tabela 5.9. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo 84 Ana Rita S. Ribeiro | 5. Automação do Equipamento Tabela 5.9 – Parâmetro de seleção das fontes de alimentação Fonte Potência Fonte Comando Fórmulas utilizadas DADOS DE ENTRADA Pot. solenoide: 0,35 W Qt de solenoides: 4 Consumo do pressostato: 0,045 A Cc indutivos: 10 mA Cc fotoelétricos: 35 mA Consumo mód. entradas PLC: 2,5 mA Consumo módulo saídas PLC: 0,5 mA Cc – consumo de corrente PARÂMETROS DE SELEÇÃO Necessidade de corrente para o circuito: 0,105 A Necessidade de corrente para o circuito: 1,73 A P – potência; U - tensão I - corrente CARACTERÍSTICAS SELECIONADAS ABL8MEM24012 (Schneider) Entrada: ~100…240 VAC Saída: 24 VDC P0: 30 W C0: 1,2 A ABL7RM24025 (Schneider) Entrada: ~100…240 VAC Saída: 24 VDC P0: 60 W C0: 2,5 A P0 – potência nominal I0 – corrente nominal A escolha dos relés de interface recaiu sobre relés extraíveis da gama Zelio Relay, prémontados em base com LED e circuito de proteção – RSL1PVBU. Para a proteção do motor selecionou-se um disjuntor magneto-térmico da gama TeSys. A seleção foi feita a partir das necessidades de corrente do MOVIDRIVE e do servomotor, que no total consumirão uma corrente máxima de 25,6 A. Assim a escolha do disjuntor recaiu sobre um GV2ME32 de 15 W e disparo regulável entre 24 e 32 A. Os esquemas do circuito elétrico podem ser encontrados no Anexo H. Na Tabela 5.10 apresenta-se uma lista de materiais e respetiva codificação. Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 5. Automação do Equipamento 85 Tabela 5.10 – Lista de códigos e funções de cada equipamento utilizado no circuito elétrico Código Elemento Função Cód Forne. GERAL Interruptor Ligação da alimentação FA1 Fonte de alimentação Alimentação do circuito de potência FA2 Fonte de alimentação Alimentação do circuito de comando D1 Disjuntor unipolar magnetotérmico Proteção do circuito a montante das fontes D2 Disjuntor unipolar magnetotérmico Proteção da fonte do circuito de potência D3 Disjuntor unipolar magnetotérmico Proteção da fonte do circuito de comando EMER Botão de emergência Sinalização de emergências pelo operador S07 Detetor indutivo Deteção da carruagem quando esta ultrapassa o fim-de-curso superior XS618B4PBM12 S08 Detetor indutivo Deteção da carruagem quando esta ultrapassa o fim-de-curso inferior XS618B4PBM12 GRD PROT. Fim-de-curso da porta da grade de proteção Sinalizar a abertura da porta da grade de proteção S14 Detetor fotoelétrico Primeira deteção de espiga acoplada ao pendural na chegada à zona de carga XUB1BPANM12 S15 Detetor fotoelétrico Segunda deteção de espiga acoplada ao pendural na chegada à zona de carga XUB1BPANM12 KV1 Relé de interface Interface circuito de potência e circuito de comando RSL1PVBU KV2 Relé de interface Interface circuito de potência e circuito de comando RSL1PVBU KV3 Relé de interface Interface circuito de potência e circuito de comando RSL1PVBU KV4 Relé de interface Interface circuito de potência e circuito de comando RSL1PVBU Y1 Solenoide Comando do avanço da válvula 5/2 biestável do circuito da garra Y2 Solenoide Comando do recuo da válvula 5/2 biestável do circuito da garra Y3 Solenoide Comando da válvula 3/2 monoestável do circuito da garra Y4 Solenoide Comando da válvula 3/2 monoestável do circuito dos travões Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 8. Anexos 93 ANEXO A: Desenhos 2D dos sistemas já existentes na AMTROL-ALFA Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 8. Anexos 95 ANEXO B: Desenhos de Definição de Conjunto do Sistema a Desenvolver Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 8. Anexos 97 ANEXO C: Cálculo dos rolamentos Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 8. Anexos 99 ANEXO D: Esquema e numeração dos detetores a integrar nas soluções Desenvolvimento de Sistema Automático para Colocar e Retirar Garrafas de Gás em Transportador Aéreo Ana Rita S. Ribeiro | 8. Anexos 101 ANEXO E: Análise e avaliação de riscos