Otimização de linha de montagem: sistemas de manuseamento de material

Universidade do Minho Escola de Engenharia Gabriel Bento Ferreira Barbosa Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material outubro de 2023 Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material Gabriel Bento Ferreira Barbosa UMinho |2023 | 2019 outubro de 2023 Gabriel Bento Ferreira Barbosa Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material outubro de 2023 Gabriel Bento Ferreira Barbosa Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material Dissertação de Mestrado Mestrado em Engenharia Mecânica Área de especialização em manufatura avançada Trabalho efetuado sob a orientação do(a): Professor Doutor José Luís Alves i DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial CC BY-NC https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ ii AGRADECIMENTOS A dissertação marca uma das etapas finais no percurso académico, percurso este que proporcionou inúmeras aprendizagens, tanto a nível teórico como interpessoal. Não poderia concluir esta etapa sem agradecer aqueles que mais me apoiaram. Ao meu Orientador, Professor Luís Alves que ajudou a estruturar e definir o estudo e que sempre se demonstrou disponível para colaborar com a investigação. Aos engenheiros, Rui Barbosa e Pedro Dias por me inserirem na equipa da ROQ, onde sempre me senti acolhido, e pelo apoio e colaboração constante no projeto. Aos amigos e família pelo apoio incondicional durante toda esta fase. iii DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. iv RESUMO Esta tese foca-se na otimização e melhoria de uma linha de montagem, com especial atenção em sistemas de manuseamento e transporte de material, para ser implementado numa oficina da ROQ. Atualmente, o transporte de material e feito manualmente recorrendose a empilhadoras. Um estudo inicial da estratégia utilizada atualmente na empresa, permitiu definir o outline da linha de montagem, assim como o sistema de manuseamento de material a utilizar, que se trata de um veículo guiado por carril (RGV). De seguida, modelou-se o chassi do RGV, de modo a se perceber as cargas que iriam atuar no mesmo e como afetariam a estrutura e os seus apoios. Estas foram, posteriormente, calculadas a partir de valores assumidos para as dimensões do RGV. Posteriormente, foi calculado o torque e potência necessária para tracionar o veículo, o que permitiu definir um motor e suas especificações. Por fim, realizou-se estudos numéricos através de uma simulação computacional para se prever se a estrutura do RGV possuiria resistência mecânica suficiente para promover o correto funcionamento da linha de montagem. PALAVRAS-CHAVE VEÍCULO GUIADO POR CARRIL; MANUSEAMENTO DE MATERIAL; ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS v ABSTRACT This thesis focuses on the optimization and improvement of an assembly line, with special attention to material handling and transport systems, to be implemented in a ROQ workshop. Currently, the transport of material is done manually using forklifts. An initial study of the strategy currently used in the company, allowed the definition of the outline of the assembly line, as well as the material handling system to be used, which is a rail guided vehicle (RGV). Next, the RGV chassis was modeled, in order to understand the loads that would act on it and how they would affect the structure and its supports. These were subsequently calculated based on values assumed for the RGV dimensions. Afterwards, the torque and power required to drive the vehicle were calculated, which allowed the definition of an engine and its specifications. Finally, numerical studies were carried out using a computer simulation to predict whether the RGV structure would have sufficient mechanical strength to promote the correct functioning of the assembly line. KEYWORDS RAIL GUIDED VEHICLE; MATERIAL HANDLING; FINITE ELEMENTS ANALYSIS Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 1 1. INTRODUÇÃO 1.1. MOTIVAÇÃO A alta exigência de um mercado cada vez mais competitivo, juntamente com o rápido avanço tecnológico na atualidade, força muitas empresas a adotarem estratégias para otimizar os seus processos de montagem e elevar a qualidade dos seus produtos, além de estudarem continuamente, métodos para ajustar e melhorar o sistema de produção, de modo a se manterem atualizadas no mercado. Quando se refere a processos de montagem num ambiente industrial de equipamento de elevada carga, o manuseio e transporte do mesmo será de elevada importância, visto que, em espaços fechados, terá de se ter o maior cuidado e segurança com este tipo de equipamento. Podendo-se otimizar este processo, aumentando o fluxo de produção, assim como a segurança do processo de todo o processo, tando por simplificando as tarefas e eliminando a possibilidade de erro humano, sempre que possível, melhorando a ergonomia do sistema, poder-se-á, consequentemente, impactar positivamente a rentabilidade potencial da empresa. Durante muito tempo, o método mais aplicado para transporte e manuseio de cargas elevadas tem sido levado a cargo por empilhadoras e gruas. Atualmente, a tendência em grandes empresas é recorrer ao uso de sistemas como, automated guided vehicles (AGV), Rail guided vehicles (RGV), sistemas de tapetes e sistemas de elevação hidráulicos, mecânicos, pneumáticos, etc… A redução da intervenção do ser humano nestas situações pode trazer alguns pontos negativos, principalmente a falta de flexibilidade que sistemas cada vez mais automatizados acarretam. Porém, quanto menor for a intervenção humana neste tipo de trabalhos, maior será a segurança nestes ambientes, que é um tema que tem ganho cada vez mais destaque na indústria, visto que sistemas automatizados e semi automatizados podem trabalhar em condições que poderiam comprometer a integridade física humana, e, caso recorra um acidente, a probabilidade de uma lesão no local de trabalho é bastante reduzida. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 2 O objetivo desta dissertação é melhorar, juntamente com a empresa ROQ, o sistema de transporte do equipamento ECO na sua linha de montagem, tanto na sua ergonomia, olhando à redução de tempo na montagem, uma maior segurança e conforto nos processos de montagem. Tendo sempre em atenção e respeitando os constrangimentos impostos pela ROQ. 1.2. TOPIC OVERVIEW – PLANEMANETO INDUSTRIAL Planeamento industrial tem sido um tema cada vez mais estudado e aplicado em termos práticos na última década, que inicialmente, no passado, era só teórico, mas que, presentemente, no mercado global que é cada vez mais competitivo é uma estratégia importantíssima, principalmente em linhas de montagem (Tompkins J. A.,2003). Num projeto de linha de montagem há certos pontos que devem ser seguidos, de modo a atingir a excelência no fluxo de montagem: • FLEXIBILIDADE, A CAPACIDADE QUE UMA EMPRESA TEM DE CUMPRIR VÁRIOS REQUISITOS SEM QUE SEJA ALTERADA; • MODULARIDADE, EMPRESAS MODULARES POSSUEM SISTEMAS QUE COOPERAM DE FORMA EFICIENTE A DIFERENTES ANDAMENTOS DE OPERAÇÃO; • UPGRADABILITY, EMPRESAS COM CAPACIDADE DE ATUALIZAÇÃO, INCORPORAM AVANÇOS NOS SEUS SISTEMAS E TECNOLOGIA FACILMENTE; • ADAPTABILIDADE, DEVEM TER EM CONTA CALENDÁRIOS, CICLOS E PICOS EM HORÁRIOS; • OPERABILIDADE SELETIVA, QUE É RELATIVO À CAPACIDADE DE UMA EMPRESA DE TER PLANOS DE CONTINGÊNCIA QUE SÃO APLICADOS FACILMENTE SEM REPERCUSSÕES NEGATIVAS; • AMIGO DO AMBIENTE, ENVOLVE ADOTAR O LEED, QUE DEVE GARANTIR A SEGURANÇA NAS ÁREAS CHAVE DA SAÚDE AMBIENTAL HUMANA. É necessária uma aproximação holística quando há um estudo industrial de fluxo de uma linha de montagem: • INTEGRAÇÃO TOTAL – INTEGRAÇÃO DOS MATERIAIS E INFORMAÇÃO NO FLUXO DE TRABALHO; • ELIMINAR FRONTEIRAS – ELIMINAÇÃO DAS RELAÇÕES TRADICIONAIS FORNECEDOR/CLIENTE E MANUFATURA/ARMAZÉM, ETC… • CONSOLIDAÇÃO – JUNÇÃO DE ENTIDADES E EMPRESAS DE NEGÓCIO SIMILARES, QUE RESULTARÁ NUMA MENOR, MAS MAIS FORTE COMPETIÇÃO; Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 3 • CONFIABILIDADE – SISTEMA RESISTENTE E SEGURO; • MANUTENÇÃO – MANUTENÇÕES DE ROTINA E DE PREVENÇÃO DEVEM SER LEVADAS A CABO, DE MODO A MANTER O BOM FUNCIONAMENTO DO SISTEMA E PREVER POSSÍVEIS PROBLEMAS NAS OPERAÇÕES DE MONTAGEM; • PROGRESSIVIDADE ECONÓMICA – ADOÇÃO DE TÁTICAS FISCAIS INOVADORAS. Em planeamento industrial, o fluxo deve ser continuamente atualizado e melhorado para atingir a excelência. Ao dimensionar uma linha de montagem, há que ter em conta o fluxo do sistema, relação entre atividades e o espaço requerido. O fluxo depende da produção, encomendas, dimensão das peças e das cargas, layout e configurações de produção. O cálculo da relação entre atividades envolve o entendimento das máquinas e de cada estação de montagem. O espaço requerido irá depender, da dimensão e tipos de peças e equipamentos a ser manuseados, design e configuração do edifício. Linhas de montagem podem ter duas configurações possíveis, podem ser do tipo in-line, ou em loop. A primeira consiste numa sequência de estações de trabalho numa linha reta (podendo ter curvas de 90o e rearranjos na sua configuração, muito devido às limitações do espaço), sendo considerado um sistema aberto, em que há, evidentemente, um início e um fim. No segundo caso, as estações de trabalho estão dispostas circularmente, formando um loop fechado, onde início e fim não estão bem determinados no sistema. A escolha de qual sistema a utilizar vai depender, essencialmente, da aplicação e do caso em estudo. A linha de montagem em loop é comummente utilizada em espaços de trabalho limitados, no que toca ao espaço disponível, e quando se trata de um número reduzido de estações de trabalho. Este sistema peca na flexibilidade e pela dificuldade de introduzir um sistema buffer, porém, envolve custos menores e requer menos espaços na sua montagem. No design in-line, um espaço de montagem maior é preferível para acomodar mais estações de trabalho, uma estação de buffer é mais facilmente incorporada neste sistema, assim como um armazenamento interno que irá melhorar o efeito de paragens em cada estação aumentando a produtividade. 1.2.1. SISTEMAS DE TRANSPORTE O mecanismo de transporte numa linha de montagem, não tem apenas de transportar as peças de uma estação para a outra, mas também tem que saber posicioná-la no local Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 4 correto para facilitar o trabalho realizado em determinada estação. Assim sendo, os métodos conhecidos de transporte de material em linhas de montagem são: • TRANSPORTE CONTÍNUO • TRANSPORTE INTERMITENTE OU SÍNCRONO • TRANSPORTE ASSÍNCRONO A diferença entre estes métodos, reside no tipo de movimento das peças entre estações. A escolha do método mais apropriado vai depender do tipo de operações a realizar em cada estação, o número de estações na linha, a dimensão e peso dos componentes a ser transportados, se irão existir estações de trabalho manual e seu número, de restrições de produção e do equilíbrio entre a duração de cada etapa na sua respetiva estação. No método de transporte contínuo, os componentes são movidos continuamente a uma velocidade constante, o que requer que haja um movimento solidário do robot de montagem, de modo a registar a montagem completa ao longo do movimento dos componentes, porém, a dimensão destes robots pode interferir no acompanhamento com o componente, que constitui num ponto negativo. É um método bastante utilizado em situações como engarrafamento de bebidas ou montagem manual, em que a pessoa pode-se mover com o fluxo da linha de montagem. Este método é bastante fácil de projetar e, quando conseguido, permite atingir uma elevada cadência de produção. Com o método intermitente ou síncrono, os componentes são movidos de forma descontínua, em que as estações de trabalho estão fixas e as partes são transportadas entre estas e registadas na posição pretendida. De notar, que todas as partes são movidas ao mesmo tempo (síncrono). Muito utilizado em montagem mecanizada, operações de estampagem ou furação. Este método obriga que em cada estação se realize a operação ao mesmo tempo e com a mesma duração. Transporte assíncrono, como o nome indica, cada componente é movido independentemente dos restantes quando determinada operação é determinada, o que permite que, enquanto algumas peças estão a ser trabalhadas numas estações, outras estão a ser transportadas entre estações. Oferece maior flexibilidade que os métodos restantes e cada estação pode ter armazenamento de componentes necessários ao trabalho na sua zona com relativa facilidade, pode ainda compensar qualquer contratempo numa estação, visto que quando terminada a operação, o componente pode ser movido a seu tempo. Quando há necessidade de uma ou mais estações serem de operações manuais ou quando existe uma Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 5 grande discrepância entre a duração de cada operação (algo que constituiria um problema nos restantes métodos), este método é o mais apropriado. Um dos pontos negativos é que, o ritmo de produção é geralmente menor que nos restantes métodos. Alguns destes métodos de transporte são acomodados com paletes de fixação, em que as partes são fixadas na posição pretendida e as paletes são transferidas entre estações. Este sistema é utilizado para que as peças sejam transportadas, localizadas e fixadas na posição correta nas sucessivas estações e como a parte se encontra fixada esta será corretamente posicionada em cada operação. É um sistema que permite ainda, que se utilizem componentes semelhantes, cuja fixação possa ser reutilizada. 1.2.2. MECANISMOS DE TRANSPORTE Existem vários mecanismos que podem ser utilizados na transferência de componentes, estes podem ser agrupados caso a sua utilização seja destinada a fluxo linear ou circular. 1.2.2.1. TRANSPORTE LINEAR Para mecanismos de transporte linear utiliza-se três mecanismos típicos: o sistema de veio andante, de tapete de rolos motorizados e tapete motorizado por corrente. No sistema de veio andante, os componentes são levantados por um veio que lhes transfere esse movimento, passando para a estação seguinte. O veio desce as peças para um posicionador que as irá fixar corretamente, este sistema está exemplificado na figura abaixo. Figura 1 Sistema de veio andante O sistema de tapete de rolos motorizados é usado geralmente em linhas automatizadas para transportar componentes com base reta. Podem ser motorizados por um cinto de fricção, Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 6 que confere o movimento de rotação aos rolos, ou podem ser motorizados por correntes. É um sistema bastante versátil para um fluxo linear ou com curvas. Figura 2 Tapete de rolos motorizados Tapete motorizado por correntes, estas são guiadas por polias com configuração “over and under”, em que as polias rodam em torno do eixo horizontal, ou com configuração “around-the-corner”, em que as polias rodam em torno do eixo vertical. Este sistema é usado para movimento contínuo, intermitente ou assíncrono. Figura 3 Tapete motorizado por correntes 1.2.2.2. TRANSPORTE CIRCULAR Os métodos de transporte circular mais utilizados são o de pinhão e cremalheira, o sistema de roquete, o mecanismo de Genebra e os mecanismos de came. O sistema de pinhão-cremalheira não é especialmente usado para operações de elevada velocidade. Neste design, um pistão irá guiar a cremalheira, que faz girar o pinhão que, em contacto com a mesa circular, lhe transmite o movimento. Geralmente, utiliza-se uma embraiagem para guiar a mesa na direção pretendida. No sistema de roquete, o desgaste e encravamento são bastante recorrentes, o que o torna num sistema pouco fiável. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 7 Figura 4 Sistema de roquete Mecanismo de Genebra utiliza um acionamento rotativo que transmite o movimento à mesa. Figura 5 Mecanismo de Genebra Os mecanismos de came são os que garantem o método mais fiável para um sistema circular, e pode ser projetado para várias velocidades de ação. Apesar do investimento relativamente elevado, é um sistema que é muito utilizado na indústria. Figura 6 Sistema de came Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 8 1.2.3. SISTEMA DE BUFFER Os sistemas de buffer são utilizados especialmente em linhas de montagem de modo a garantir o correto funcionamento da linha, tendo o efeito de sistema “suplente” quando há uma falha na linha. A principal razão para a utilização de um sistema de buffer é reduzir o efeito de falhas individuais numa estação de trabalho. Constituem falhas numa estação de montagem quando: há ajustamentos ou falhas nas ferramentas, trocas agendadas de ferramentas, componentes de funcionamento das linhas de montagem que estejam defeituosos, problemas elétricos ou problemas mecânicos. Desvantagens de sistemas de buffer são o aumento de espaço necessário para o projeto, um inventário necessariamente maior, mais equipamento de manuseamento de material e um projeto mais complexo, sendo que as vantagens, normalmente são superlativas às desvantagens. 1.2.4. FLUXO EM ESTAÇÕES DE TRABALHO Quando se refere a fluxo de trabalho, está-se a descrever o movimento de partes, materiais, bens, informação, pessoas, … Por exemplo, no movimento de determinado produto, desde a sua manufatura até sua chegada à cadeia de distribuição e venda ao cliente. Esse movimento, pode ser denominado como fluxo do sistema. O fluxo pode ser discreto ou contínuo, em que, no primeiro, como indicado pelo nome, o movimento dos itens é discreto, no sentido em que, estes experienciam paragens em postos de trabalho (estações de trabalho). Em oposição, como fluxo contínuo, tem-se o movimento contínuo de fluidos numa cadeia de produção ao longo de vários estados de produção. O foco principal neste projeto será o fluxo do tipo discreto. A descrição do fluxo de um processo pode ser feita quanto: ao sujeito do fluxo, que representa o tipo de item a ser processado; os recursos para o processo a ser estudado, que representa os recursos de processamento e transporte requeridos para o projeto, disponibilizados pela empresa; a coordenação e comunicação dos recursos, referindo-se aos procedimentos que permitem a gestão do fluxo do processo. Nesta tese, em que o problema é a otimização de uma linha de montagem, o projeto será referente a um sistema de fluxo de material. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 9 Para um planeador industrial, é imperativo conhecer, de um modo geral, os vários sistemas de fluxo de material, de modo a se poder otimizar o processo ao máximo, conseguindo alienar o correto funcionamento do mesmo a uma minimização e simplificação do fluxo total, que garante um melhor controlo do desgaste de energia e dos recursos disponibilizados pela empresa. A simplificação de um sistema de fluxo de material pode ser atingida pelo planeamento da distribuição de materiais, informação e pessoal diretamente aos pontos fulcrais de trabalho, eliminando-se passos intermediários dispensáveis. Também se pode minimizar o fluxo se, em pontos consecutivos de fluxos múltiplos, os movimentos forem os mínimos possíveis, de preferência que se possa realizar o movimento em apenas uma etapa. Se se combinar operações e fluxos sempre que for possível, contribui-se para a simplificação do processo. Resumidamente, devem-se eliminar passos não necessários, reduzir o trabalho manual ao diminuir o distanciamento entre estações de trabalho, eliminar trabalho manual ao automatizar ou mecanizar o fluxo do processo e simplificar o manuseamento de material ao reduzir a densidade do fluxo. É importante, entre estações, estudar o movimento dos materiais e ergonomia, devendo projetar um fluxo natural, rítmico e habitual. Um fluxo natural é essencial para um fluxo rítmico e habitual, movimentos contínuos e que mantenham o andamento caracterizam um fluxo natural. Quando o fluxo é habitual e rítmico, há uma redução de fadiga do operador. Entre estações de trabalho espera-se que o fluxo permita que o operador consiga trabalhar em mais que uma máquina, um trabalhador multifuncional pode-se envolver na melhoria constante de funções das operações, manutenções, melhoramento da qualidade de trabalho, manuseamento de material, trabalho de equipa e avaliação de aproveitamento do equipamento. O que significa que todos os componentes aliados ao processo, devem ser considerados de forma integrada. 1.2.4.1. PADRÕES DE FLUXO Padrões de fluxos de trabalho serão diferentes consoante o tipo de trabalho e sistema aplicado, caso seja um sistema mecanizado ou automatizado, que envolverá, por exemplo, tapetes em constante movimento, RGV, AGV e robôs. Os padrões gerais de fluxo são: o de fluxo em linha, em que as estações de trabalho estão dispostas ao longo de uma linha, que não tem que ser necessariamente reta, quanto à disposição da linha, existem ainda vários sub- Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 10 padrões, como em “S”, “W” ou “U”. A sua escolha depender, essencialmente, do espaço disponível para o projeto, em que, para um fluxo em linha reta, está associado um espaço estreito, estando também associado um mau aproveitamento do espaço; padrão de fluxo em espinha, em que as estações de trabalho estão dispostas perpendicularmente ao fluxo principal por linhas unidirecionais ou bidirecionais, tanto de um só lado como dos dois. É um sistema bastante prático que pode ser facilmente combinado com outros padrões, caso seja intercalado com fluxos de departamentos diferentes dentro da empresa; padrão de fluxo em loop, no qual as estações de trabalho estão dispostas em volta de um loop, como, semelhantemente ao padrão referido anteriormente, o fluxo pode ser unidirecional assim como bidirecional. Caso as estações estejam dentro do loop é chamado de outer loop e inner loop caso as estações estejam fora; padrão de fluxo em árvore. As estações de trabalho podem estar posicionadas numa única árvore ou em múltiplas árvores que estão conectadas por um sistema de manuseamento de material em comum. É um padrão bastante comum em empresas que usem robôs no manuseamento de material para mover os componentes entre estações de trabalho (Ardavan & Gilbert, 2005). De notar, que os vários padrões apresentados podem ser combinados e alterados de modo a serem assemblados para o projeto em estudo. 1.2.5. REQUISITOS DE ESPAÇO No planeamento industrial, uma das tarefas mais herméticas é a determinação do espaço requerido para um projeto. Quando, num mercado e indústria em constante desenvolvimento tecnológico e económico, equipamentos e materiais são sucessivamente alterados, a incerteza, quanto ao espaço necessário, instaura-se, de modo a compensar esta ambiguidade do futuro, o planeador terá de determinar o espaço, inflacionando a estimativa do mesmo (Burbidge, 1971). Posto isto, o espaço requerido terá de ser determinado de uma forma sistemática, em que, para tal, se deve sempre considerar o nível de inventário, unidades de armazenamento, métodos e estratégias de armazenamento, requisitos de equipamentos, limitações do edifício e requisitos de segurança para os colaboradores. Em manufatura, deve-se determinar primeiramente o espaço requerido para as estações de trabalho, individualmente, e só de seguida é que se determina o espaço para o departamento inteiro, baseando-se nas restrições das estações. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 17 • CAPÍTULO 1: TRATA DA APRESENTAÇÃO DA MOTIVAÇÃO DO PROJETO PARA A TESE, ASSIM COMO DO ESTADO DE ARTE DO TEMA EM ESTUDO E TAMBÉM DA DEFINIÇÃO DOS OBJETIVOS E RESULTADOS ESPERADOS. • CAPÍTULO 2: APRESENTA UMA VISÃO TEÓRICA DOS ASPETOS TRABALHADOS NESTE DOCUMENTO E REFERE ALGUMAS EQUAÇÕES REQUERIDAS PARA O DESENVOLVIMENTO DO PROJETO. • CAPÍTULO 3: NESTE CAPÍTULO ESTÁ PRESENTE O ESTUDO PRELIMINAR DO PROJETO, DANDO ALGUM CONTEXTO DE COMO O TRABALHO É REALIZADO NA EMPRESA, APRESENTADO, AINDA, A DEFINIÇÃO DOS SISTEMAS A APLICAR NO PROJETO. • CAPÍTULO 4: IRÁ DETALHAR O DESENVOLVIMENTO E DIMENSIONAMENTO DOS SISTEMAS DO PROJETO, TRATANDO DOS ESTUDOS NUMÉRICOS NA ESTRUTURA, SELEÇÃO E MODELAÇÃO DE COMPONENTES. • CAPÍTULO 5: CONCLUSÃO E COMENTÁRIO SOBRE OS RESULTADOS, SE OS OBJETIVOS FORAM COMPRIDOS, ABORDANDO AINDA O QUE PODE SER REALIZADO FUTURAMENTE INDICANDO ALGUMAS SUGESTÕES. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 19 2. TEORIA 2.1. CINÉTICA DE UM VEÍCULO Antes de iniciar o desenvolvimento e modelação do veículo, é necessário entender a relação entre os movimentos que este fará e as forças a que estará sujeito, só assim se poderá determinar os esforços e a potência do mesmo, aspetos que irão incidir diretamente na projeção dos componentes do veículo. Este tipo de veículo é, normalmente, afetado pela força de resistência de rolamento (𝐹 𝑟𝑟), a componente do peso (𝑊), que numa inclinação será dividido nos componentes 𝑊 𝑥 e 𝑊 𝑦, que serão desconsiderados, visto que neste projeto, não haverá inclinações no percurso do RGV, a resistência do ar (𝐹 𝑎𝑟), também será desconsiderada, dada a reduzida velocidade do RGV (máximo de 0,3 m.s). A força de tração (𝐹𝑇) será a responsável pela propulsão de veículo, que irá depender de todas as solicitações no veículo. Na imagem abaixo. Figura 7 Solicitações num veículo em movimento (tração a frente) 2.1.1. RESISTÊNCIA DE ROLAMENTO A resistência ao rolamento é uma força que se opõe ao movimento de um objeto à medida que ele rola sobre uma superfície. Ocorre, necessariamente quando dois objetos em contato, como um pneu e a estrada, se deformam ligeiramente sob a pressão do peso (por Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 20 muito pequena que seja) do objeto, e essa deformação cria resistência ao movimento. A resistência ao rolamento é uma forma de perda de energia mecânica e é um dos fatores que podem desacelerar ou dificultar o movimento de veículos e outros objetos rolantes (Andersen & Larsen, 2014). A resistência ao rolamento resulta principalmente da deformação e subsequente recuperação dos materiais em contato. Quando um pneu rola sobre uma superfície, a forma do pneu muda temporariamente, e energia é gasta para deformar e depois restaurar a forma do pneu. É diretamente afetada pelo design do objeto rolante e pela superfície (Andersen & Larsen, 2014). Figura 8 Representação da resistência de rolamento A força de resistência ao rolamento pode ser calculada da seguinte forma: 𝐹 𝑟𝑟 =𝑚𝑔µ𝑟𝑟 (2.1) Em que 𝑚, é a massa do objeto, 𝑔 é a aceleração gravítica e µ𝑟𝑟 é o coeficiente de resistência do rolamento. Este valor de µ𝑟𝑟, pode estar tabelado ou pode ser calculado pela seguinte equação derivada por I. Evans (2002): µ𝑟𝑟 =ℎ 4.4 (𝑃𝑡 𝐸𝑠𝑟2)1 3 (2.2) Considerando ℎ a fração de energia dissipada, 𝑃 a força vertical total na roda, 𝐸 o módulo de elasticidade do material da roda, 𝑡 a espessura da roda, 𝑠 a largura da roda e 𝑟 o raio da roda. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 21 2.1.2. FORÇA DE TRAÇÃO A força de tração, frequentemente referida simplesmente como "tração", é a força que permite a um veículo ou objeto mover-se ao longo de uma superfície, superando a resistência ao movimento, como a fricção ou outras forças de atrito. A força de tração é um conceito fundamental no campo dos transportes, particularmente no contexto de veículos como carros, camiões e comboios. A força de tração pode ser dividida em vários componentes necessários ao cálculo da mesma, a resistência ao rolamento, devido à deformação dos pneus e ao contacto entre o pneu e a estrada, a resistência aerodinâmica, causada pela resistência do ar à medida que o veículo se desloca pelo mesmo, a força gravitacional para superar a gravidade ao subir uma colina e a inércia que representa a força necessária para acelerar ou desacelerar o veículo. Como mencionado antes, só se irá considerar a resistência ao rolamento e a inércia neste projeto, pelo que, a força de tração pode ser calculada da seguinte forma: 𝐹𝑇=𝑚𝑔µ𝑟𝑟 +𝑚𝑎 (2.3) Em que 𝑎 representa a aceleração do veículo. 2.1.3. POTÊNCIA E TORQUE ATRAVÉS DA FORÇA DE TRAÇÃO Para idealizar a motorização do veículo, há que saber a potência necessária para este realizar as manobras pretendidas. Assim como, se deve calcular o torque que o motor deve transmitir à roda de modo a iniciar o movimento do carro. Posto isto, e sabendo a força de tração, pode-se determinar a potência (𝑃) pelo produto de 𝐹𝑇 pela velocidade do veículo, de modo a incluir a aceleração e desaceleração, a velocidade será calculada pelo tempo decorrido desde o arranque, atingindo a velocidade máxima, até à paragem do veículo. A equação de potência terá o seguinte aspeto: 𝑃 = 𝐹𝑇 𝑑 𝑡 (2.4) Em que 𝑑 representa a distância percorrida em metros e 𝑡 o tempo em segundos. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 22 O cálculo do torque a ser aplicado na roda é bastante simples de calcular, tendo a fórmula o seguinte formato: 𝑇 = 𝐹𝑇. 𝑟 (2.5) Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 23 3. ESTRUTURA DO PROJETO Neste capítulo irá ser disposto o conteúdo base do projeto, onde se irá refletir sobre o motivo que levou à aceitação e elaboração deste trabalho, assim como um estudo das estratégias já utilizadas pela empresa, o que levará a uma justificação da sua aplicação e apresentação de protótipos para o seu aperfeiçoamento. 3.1. FILOSOFIA KAIZEN A filosofia Kaizen (kai” zen), que significa “mudança para o bem” ou “melhoria constante” é o estilo de trabalho e organização adotado pela ROQ, refere-se a um método japonês de gestão baseado em fazer pequenas mudanças incrementais em processos, produtos ou serviços e ambiente de trabalho. Kaizen vem do Japão e está ligado à produção japonesa e à cultura corporativa, especificamente dentro de empresas como a Toyota. Kaizen acredita que mesmo os processos ou sistemas mais otimizados sempre podem ser melhorados, e essa “pequena mudança” ou mentalidade iterativa está em sua essência. Promove uma cultura de melhorias incrementais, de baixo risco e gerenciáveis. Concentra-se em incluir todos os membros da equipa no processo de melhoria. Pessoas de todos os níveis são convidadas a identificar problemas, oferecer sugestões e participar do processo de mudança. De acordo com a filosofia kaizen, tanto os gerentes quanto os funcionários devem ser enviados ao local real do procedimento de trabalho denominado Gemba para ver os procedimentos por si próprios. O que irá facilitar a identificação de áreas que necessitem de melhorias. Pretende-se, também, eliminar diferentes fontes de desperdício, uma das quais a superprodução (ou seja, a produção de produtos em excesso), tempo de espera desnecessários, excesso de stock, não aproveitamento de habilidades dos funcionários e transportes desnecessários. Esses desperdícios são reduzidos ou eliminados permitindo maior eficiência e economia de custos. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 24 O PDCA, ou Plan-Do-Check-Act, é uma ferramenta básica do Kaizen. Para a gestão da mudança, significa planear a mudança (criar uma agenda), fazer com que as mudanças aconteçam (executar), rever e monitorizar o progresso (feedback) e tomar medidas para melhorar a mudança com base no feedback e nos dados. Na ROQ, esta ferramenta é traduzida em reuniões diárias e semanais. Kaizen é um compromisso de longo prazo, uma jornada em direção à melhoria constante. É necessária a adesão de toda a organização: liderança e funcionários. 3.2. ESPAÇO E ESTRATÉGIA ATUAL A linha de montagem, por muito que seja alterada, estará estabelecida no polo de Montagem A, este polo acarreta várias funções na empresa, como armazenamento e montagem de variados equipamentos. O foco deste trabalho será a montagem das máquinas circulares (Figura 9), nomeadamente a máquina ECO, visto que é a mais vendida e, consequentemente, a que mais tempo passa na linha de montagem, trata-se da gama mais alta de estamparia circular na ROQ. Este equipamento possui capacidade de trabalhar com 20 paletes ao mesmo tempo, com dimensões que variam de L a 3XL, munido com um sistema auto lubrificante, o levantamento das cabeças é individual, o que integra uma elevada versatilidade no conjunto, permitindo que cada cabeça imprima o estampado a tempos premeditados e que se faça um levantamento automático para limpeza das mesmas. Figura 9 Máquina ROQ ECO Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 25 A máquina é constituída por uma base, designada por pé, que engloba todo o sistema elétrico e de motorização e tem capacidade de suportar o peso de todo o equipamento, é também o componente de maior dimensão da máquina. A estrela é o componente intermediário, que confere o movimento de rotação às paletes, garantindo que estas passem por cada cabeça. No centro de comando é onde se encontra o painel de controlo, onde se pode definir o tipo e fluxo de trabalho da máquina, é também no centro de comando que se monta o sistema pneumático e do sistema de levantamento das cabeças. Todos os dias estes componentes são transportados para a estação de pré-montagem, primeiramente, prepara-se a estrutura do pé, montando-se o conjunto nivelador da máquina, limpa-se os furos na zona de motorização e na zona exterior da máquina, prepara-se ainda o sistema de vácuo, verificando-se a condição dos vedantes. De seguida, prepara-se a estrela, limpando-se os rasgos da cunha do travão e os furos. Na preparação do centro de comando, remove-se os isolamentos de pintura, procede-se à limpeza dos furos roscados e montagem dos parafusos de ajuste. Monta-se todas as estruturas no veio central da máquina, juntamente com os rolamentos, verificando-se o correto posicionamento dos componentes e afinando-se o binário de rotação, pode-se perceber a conformidade do conjunto. A última operação na estação de pré-montagem é a montagem da motorização no pé da máquina, o motor trata-se de um motor elétrico e o sistema de movimentação é o mecanismo de Genebra, que, instalado no pé, irá interagir com as cunhas na estrela, o que lhe confere o movimento de rotação. Seguidamente, a máquina é transportada para o próximo posto, dada a dimensão do pé da máquina (diâmetro de cerca de 2242mm), esta é, de momento, transportada com o auxílio de duas empilhadoras. Nesta estação, faz-se a preparação da posição das cabeças e a instalação do circuito pneumático cuja alimentação se posiciona no pé da máquina e se monta uma electroválvula direcional no sistema de elevação localizado no centro de comando, que forçará o acionamento das cabeças. Posteriormente, realiza-se a instalação da cablagem por todo o equipamento, assim como a sua eletrificação, assim como se introduz sensores nos locais previamente indicados, é nesta etapa que se monta o pedal de emergência, a seguir à eletrificação da máquina. Procede-se à instalação do sistema de pré-secagem da tinta que é incorporado na máquina, e à colocação das cunhas para o travão na estrela. A máquina é movida para a estação seguinte pelo mesmo método aplicado no transporte anteriormente referido, onde procede à montagem e nivelamento dos portapaletes, afinação dos detetores da estrela, preparação da motorização para o acerto das Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 26 cunhas, acerto do passo entre porta-paletes e o acerto da posição das cunhas do travão da estrela. Transporta-se a máquina, por fim, para a estação final, onde se faz a preparação e instalação do centro de elevação individual da máquina e a montagem do corpo das cabeças. Após uma análise ao processo de montagem da máquina, verifica-se que, nesta configuração, esta requer uma elevada quantidade de trabalho de transporte e de manuseamento de material, o que, aumenta, significativamente o número de trabalhadores para o processo de montagem deste equipamento, o tempo e fundos gastos no transporte da máquina são despesas que deveriam de ser reduzidas ao máximo e que o cliente não tem interesse em pagar. Ao se recorrer a planeamento industrial pretende-se que a estratégia de montagem esteja o mais otimizada possível, e, em teoria, eliminar o transporte e manuseamento de material na sua totalidade, na realidade é improvável a possibilidade, mas este projeto visa a uma redução instantânea do tempo de transporte e de pessoal necessário na montagem. Isto resultará em tempo extra que os funcionários possam utilizar para realizar outras tarefas e aumentar a produtividade. 3.3. CONSTRANGIMENTOS E LIMITAÇÕES Desde início, definiram-se alguns constrangimentos e requisitos a seguir, nomeadamente, pretende-se que o sistema aplicado seja eficiente, quando comparado ao já utilizado, e que o mesmo seja modular, ou seja, que tenha capacidade de se adaptar ao espaço disponibilizado e às necessidades tanto da empresa como do operador. É, também, importante que o sistema utilizado seja versátil e que possa ser adaptado a várias gamas de máquinas circulares. Focando na especificidade do projeto, sabe-se que na montagem, todo o trabalho no pé da máquina é realizado com a mesma a cerca de 500 mm do solo, de modo a facilitar o acesso à base aquando da montagem da motorização e, também, visando garantir o conforto do trabalhador com um sistema ergonómico, visto que, com estas condições, o mesmo pode levar a cabo as operações de montagem sentado. Logo, terá de ser projetado um sistema que possibilite este trabalho na máquina com uma ligeira elevação. Na estação de pré-montagem deve haver maneira de carregar os componentes principais, para montagem dos mesmos. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 33 cujo sistema será alimentado por bateria, será necessária a instalação de um transformador no sistema, visto que um motor trifásico é alimentado por corrente alternada. Posto isto, e dada a reduzida carga a ser transportada e velocidade de deslocamento, quando num ambiente industrial, será mais apropriado a utilização de um motor monofásico no sistema, visto que a montagem e alimentação do mesmo é bastante facilitada, quando comparado com um motor trifásico. 3.4.3. ESTUDO DO SISTEMA DE ELEVAÇÃO Inicialmente, pretendia-se introduzir um elevador hidráulico como sistema de elevação, pelo que se modelou um protótipo do mesmo (Figura 13), dado o elevado investimento na produção de um elevador hidráulico e às dificuldades de cumprir regulamentos de segurança, optou-se por um sistema mais simples, em que se iriam fixar calços de um material polimérico (Figura 14) nas chapas de fixação superior do veículo. Figura 13 Protótipo elevador hidráulico Esta solução irá permitir que o sistema se torne mais flexível, podendo-se selecionar a altura do calço a utilizar, ou até mesmo, adaptar o veículo ao transporte de outros componentes, caso necessário, como, por exemplo, o transporte de paletes no armazém, bastando alterar os calços por um sistema de fixação adequado a este transporte. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 34 Figura 14 Calço de elevação No calço, verifica-se a existência de um pino, que tem a finalidade de facilitar o posicionamento e fixação da máquina. Na Figura 15 pode-se observar uma representação dos calços montados no chassi do veículo. Figura 15 Chassi com os calços de elevação montados Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 35 4. DIMENSIONAMENTO SISTEMA É neste capítulo que se fará a explicação de todo o processo de dimensionamento de todo o sistema da linha de montagem, cada protótipo projetado terá de ser verificado quanto à sua resistência mecânica, por estudos numéricos. 4.1. ANÁLISE DO CHASSI Primeiramente, o estudo recaiu no dimensionamento do chassi do veículo, que deve ter resistência mecânica suficiente para suportar o peso da máquina (1317 kg), de maneira a garantir o correto dimensionamento e segurança do sistema, definiu-se como carga aplicada no chassi, 1500kg e que o veículo atingiria uma velocidade máxima de 0,2 m/s. O veículo seria produzido em tubos quadrados, para cada caso foi realizado um estudo numérico, de modo a perceber a resistência mecânica do sistema. Para isso, a estrutura foi submetida a um estudo numérico, utilizando o método computacional do qual o software Solidworks dispõem, análise de elementos finitos, que é uma técnica numérica de dimensão finita pela qual podemos modelar algo complexo como uma máquina, ou estrutura, usando uma combinação de elementos finitos para estudar fenómenos físicos como mecânica-estrutural, estudos térmicos, dinâmica de fluidos, eletromagnetismo etc. Os métodos de Análise de Elementos Finitos (FEA) dividem um sistema complexo ou objeto em vários subcomponentes de tamanho finito, podendo-se proceder a uma análise aproximada do comportamento do sistema, através de simulações numéricas (Zienkiewicz et al., 2005). Na FEA, a geometria ou a estrutura é discretizada criando malhas constituídas por elementos finitos (geralmente do tipo triangular, quadriláteros, tetraédricos ou hexaédricos) cada tipo de elemento tem propriedades e comportamentos específicos definidos por expressões matemáticas. A FEA utiliza fórmulas matemáticas e algoritmos que modelam o comportamento de materiais, estruturas ou sistemas no mundo real. Essas expressões dependem de alguns princípios mecânicos, transferências de calor, dinâmica de fluidos ou eletromagnetismo dependendo da aplicação. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 36 Para modelar situações pretendidas, a FEA envolve a definição de condições de fronteira (cargas, restrições e condições iniciais), que podem ser estáticas ou variáveis no tempo, transitórias (dinâmicas) ou em estado estacionário. São essas características que determinam como o sistema lida com o mundo exterior. Por fim, são utilizados métodos computacionais avançados, por exemplo, métodos de elementos finitos, para resolver o conjunto de equações geradas diretamente do modelo matemático. Cálculos iterativos permitem que os computadores determinem uma aproximação da solução. Num projeto de engenharia a FEA é um método vital, pois permite que os engenheiros envolvidos no projeto avaliem o desempenho e a confiabilidade de peças ou sistemas desde o início, sem a necessidade de fabricar protótipos de hardware funcionais reais. Permite, ainda que os engenheiros otimizem o projeto avaliando vários tipos de configuração, materiais e/ou parâmetros para que possam obter o que desejam com seu projeto. Contudo, testes físicos, bem como observações do mundo real, devem ser realizados para validar os resultados das simulações FEA para uma previsão precisa e confiável do comportamento. Existem muitos softwares FEA comerciais que suportam pré-processamento, resolução e pós-processamento. Os mais utilizados são ANSYS, Abaqus, COMSOL Multiphysics. Resumindo, a Análise de Elementos Finitos (FEA) é uma técnica computacional extremamente potente que permite aos engenheiros e cientistas decifrar sistemas complexos, obter informações perspicazes sobre o seu comportamento e desempenho e facilitar a inovação em diversas disciplinas da engenharia e da ciência. 4.1.1. ESTUDO NUMÉRICO CHASSI RGV V1 Numa primeira instância, idealizou-se o protótipo V1, apresentado na Figura 16, que é constituído por tubos de secção quadrada (60x60x3mm) soldados, apresenta uma armação inferior constituída por barras 30x30x2mm, que foram introduzidas com a finalidade de adicionar resistência ao conjunto. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 37 Figura 16 Chassi protótipo V1 Procedeu-se ao estudo numérico, com o intuito de perceber a fiabilidade mecânica da estrutura, o estudo realizado foi do tipo linear estático, pois pretende-se que o chassi tenha uma flecha muito reduzida e que a tensão sentida na estrutura seja bastante menor que a tensão de cedência do material que constitui os componentes. O material utilizado será o aço S235JR 1.0037 (st37), fornecido pela ROQ, é um tipo de aço estrutural de baixo carbono. É um dos aços mais utilizados em diversas aplicações industriais devido às suas boas propriedades mecânicas, soldabilidade e preço acessível. A excelente soldabilidade, torna-o numa escolha apropriada para diversas estruturas soldadas. Pode ser facilmente soldado usando métodos de soldagem comuns, como soldagem a arco, soldagem MIG ou soldagem TIG. As suas propriedades mecânicas estão indicadas na Tabela 1. Tabela 1 Propriedades mecânicas aço S235JR Propriedades Valor Módulo de Young [GPa] 210 Coeficiente de Poisson 0,280 Densidade [g/cm3] 7,80 Tensão de cedência [MPa] 235 Tensão de rutura [MPa] 350 Relativamente às condições de fronteira e, mais propriamente, os contactos entre os componentes, sabendo-se que estes estão todos soldados, definiu-se que o contacto entre estes seria do tipo bonded, o que garante que os componentes não se separem nem que tenham movimento relativo entre si. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 38 Os constrangimentos foram aplicados nas chapas de montagem dos rodízios, em que as duas chapas frontais teriam um constrangimento do tipo fixed, que irá restringir todos os graus de liberdade, enquanto as chapas traseiras teriam um constrangimento do tipo Roller/Slider, que apenas permite que haja movimento de translação nos eixos horizontais, estas condições podem ser verificadas na Figura 17, em que os vetores a verde, representam os eixos restringidos. Figura 17 Constrangimentos Chassi V1 A malha criada é relativamente refinada, dada a simplicidade da geometria, o que não interferirá com grande acentuação no tempo de computação dos resultados, com elementos do tipo tetraédricos parabólicos (Figura 18), que pensa-se ser os mais adequados à aplicação, visto que as barras apresentam uma pequena curvatura, geometria esta que aliviará tensões na zona (Barlow, 1976), permitindo assim uma discretização mais aproximada da realidade (Ulbin et al., 2000). Figura 18 Elementos parabólicos tetraédricos Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 39 Como solicitações, foram consideradas, o peso próprio do chassi, a reação do peso da máquina no chassi, que se assumiu ser 1500 Kg, por questões de segurança, ou 14715 N, o vetor terá a direção do eixo Y no sentido negativo. Será também representada a força que a inércia da máquina irá provocar no arranque do carro, cuja magnitude é de 280 N, e atua no eixo positivo de Z. Ainda se irá considerar a força centrífuga que atua no carro sempre que este estiver a descrever uma curva, esta tem uma magnitude de 32 N e atua no eixo negativo de X. Os vetores que representam as solicitações podem ser visualizados na Figura 19. Figura 19 Solicitações Chassi V1 Assim, com o pré-processamento realizado, iniciou-se o solver, sendo que para resultados, os aspetos a analisar serão as tensões principais de Von Mises e o displacement. Analisando as tensões de Von Mises (Figura 20) verifica-se que a tensão máxima sentida no chassi é de 10,58 MPa, mas representam singularidades em zonas de contacto entre barras, posto isto, nos locais de maior tensão, esta não se aproxima da tensão de cedência do material. Aliado ao máximo displacement de 0,01583 mm, que é um valor bastante reduzido, o que indica que não há preocupações no que toca a formação de flecha, garante-se que o chassi tem resistência mecânica suficiente para a aplicação, de maneira que se encontra sobredimensionado. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 40 Figura 20 Tensões principais de Von Mises chassi V1 Figura 21 Displacement no chassi V1 Desta maneira, procedeu-se a um redimensionamento do chassi, modelando-se a estrutura presente na Figura 22, cuja diferença para o protótipo anterior está na dimensão da secção das barras (30x30x2mm), espera-se garantir resistência mecânica suficiente atingindose, também, uma redução de peso do chassi. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 41 Figura 22 Protótipo chassi V2 Para este protótipo as condições de simulação foram as mesmas, mesmo material, condições de fronteira e elementos de malha, com uma malha relativamente refinada. Pretende-se analisar as tensões principais de Von Mises (Figura 23) e o displacement (Figura 24). Figura 23 Tensões principais de Von Mises Chassi V2 Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 42 Figura 24 Displacement Chassi V2 Analisando os resultados no novo chassi, a nível de tensões principais de Von Mises (Figura 23), verifica-se que a tensão máxima sentida é de 22,7 MPa, na extremidade das barras verticais, o que faz sentido, visto que serão estas a suportar a maior parte dos esforços, ainda assim, estes valores não se aproximam da tensão de cedência do material. Com um displacement máximo de 0,03245 mm, entende-se que a flecha não será um problema e que o chassi apresenta resistência mecânica suficiente para garantir estabilidade estrutural em funcionamento. Apesar dos resultados estruturais satisfatórios, chegou-se à conclusão de que o chassi, com esta configuração, é pouco ergonómico, dado que o espaço interior era demasiado para os sistemas elétricos. Nestas condições, desenhou-se um novo protótipo que está apresentado na Figura 25. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 49 Massa (kg) 1,4 Figura 31 Roda ALB 200/20K Relativamente à modelação do castor, esta foi dividida em duas partes, uma denominada por garfo, em que se iria fixar a roda, e um sistema de mancal-eixo, que permitirá o movimento de rotação do rodízio em relação à chapa de fixação. Iniciando-se a modelação do mancal, percebe-se que o movimento de rotação irá ser levado a cabo pela utilização de rolamentos, dada as solicitações axiais e radiais a que o sistema mancal-eixo estará sujeito, percebe-se que terá de ser utilizado rolamentos de rolos pareados dispostos em O, com referência 30206T40/DBC90 no catálogo da SKF, que, em oposição a uma disposição em X, podem acomodar momentos de inclinação relativamente grandes, e estão sujeitos a uma deformação menor, sendo que a interferência no funcionamento, provocado por desalinhamentos, é bastante menor numa disposição em O. Figura 32 Rolamento de rolos pareados dispostos em O Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 50 Como estes rolamentos são abertos, é necessário que a sua montagem seja feita num mancal fechado, para não recorrer um vazamento do fluido lubrificante, a combinação da montagem do rolamento no mancal juntamento com o veio, está esquematizado na Figura 33. Figura 33 Montagem de rolamento em mancal fechado Na Figura 33, o número 1 representa uma porca de fixação, que, juntamente com 2 (arruela de fixação), irão garantir a fixação do rolamento (número 3), no veio (número 4). Após a inserção do rolamento no veio, coloca-se a arruela (Figura 34) e a porca de fixação (Figura 35), que irão roscar no veio. Figura 34 Arruela de fixação Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 51 Figura 35 Porca de fixação A modelação do rodízio pode ser verificada na Figura 36, onde se vê que o mancal é aparafusado no topo do garfo, que irá garantir que a zona inferior do mancal esteja vedada. Também é visível as duas chapas que serão aparafusadas na parte frontal e traseira do garfo, que permitem o posicionamento variável dos roletes que irão guiar o rodízio ao longo do perfil. Figura 36 Rodízio frontal Pode-se verificar a existência de umas porcas nos veios para montagem dos roletes, estes irão funcionar para aproximar ou afastar os roletes da calha de guiamento. 4.3. SELEÇÃO DO MOTOR Inicialmente, como mencionado anteriormente, o motorredutor idealizado seria trifásico, de corrente alternada, com a montagem de uma bucha cónica, que teria capacidade de suportar os esforços axiais e radiais, provocados pelo peso do motorredutor. Sabe-se que esse sistema foi descartado, dada a complicação na alimentação do sistema. Assim, decidiu- Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 52 se que se selecionaria um motor monofásico, visto que é alimentado por corrente direta, o que elimina o problema recorrente em ideias anteriores. Procedeu-se à pesquisa e seleção do motor mais apropriado, atendendo as especificações necessárias ao projeto, sendo que se reconheceu que a escolha mais interessante seria a de um kit completo de rotor, cujo motorredutor está desde já montado com a roda, na imagem abaixo está representado um sistema deste tipo. Figura 37 Kit de motorização RGV Seguidamente, realizou-se o cálculo dos aspetos que determinariam as especificações do motor, sendo estes a potência e o torque máximo. Para isto, calculou-se, primeiramente, a força de tração (2.3), com os parâmetros apresentados na Tabela 4. Tabela 4 Parâmetros para cálculo da força de tração Parâmetro Valor Massa (kg) 1600 Aceleração gravítica (m/s2) 9,810 Coeficiente de resistência do rolamento 0,04000 Aceleração (m/s2) 0,2000 A escolha de um coeficiente de resistência ao movimento de 0.04 está de acordo com o estudo realizado por Wargula et al. (2018), que determina experimentalmente o coeficiente de resistência do rolamento do um conjunto idêntico ao estudado neste projeto. Dados os parâmetros indicados, o valor para a força de tração foi de 947,84 N, podendose, então, determinar a potência necessária do motorredutor pela equação (2.4). Assumindo Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 53 que a distância percorrida seria de 3m em 16 segundos, calculou-se uma potência necessária de 177,72 W. Com a força de tração calculada, é também possível determinar o torque máximo na roda, pela equação (2.5), sabendo que o raio da roda é de 0.2m, determinou-se que o torque máximo necessário seria de 94.784 N.m. Assim, selecionou-se o modelo GM-010320 da empresa STXIMotion, que possui as seguintes especificações. Tabela 5 Especificações técnicas do modelo GM-010320 Parâmetro Valor Diâmetro da roda (mm) 200 Torque nominal/máximo (N.m) 36/119 Tensão do motor (V) 48 Potência do motor (W) 900 Massa (kg) 5,2 4.4. SELEÇÃO DA BATERIA É imperativo que a bateria possua capacidade de fornecer energia durante, pelo menos, um ciclo de montagem. Sabendo que o percurso é de 43,13 m e que o veículo o percorrerá a uma velocidade de 0,2 m/s, determina-se que o tempo que o veículo estará acionado num ciclo é de 215,65 segundos ou 0,0599 horas, multiplicando a potência do motor (900 W) pelo tempo de um ciclo, calcula-se que, por ciclo, o veículo irá gastar 53,91 Wh. Com isto, pode-se determinar a bateria, que será de ião lítio, visto que possuem uma capacidade de descarga e tempo de recarga reduzidos quando comparadas com as baterias de chumbo. A bateria escolhida é da PLB (Figura 38), e é apropriada para aplicações em AGV’s, podendo ser adaptada ao projeto em estudo. Esta possui as características indicadas na Tabela 6. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 54 Tabela 6 Especificações técnicas da bateria Parâmetro Valor Tensão nominal (V) 48 Capacidade (Wh) 1248 Dimensão (mm) 530x155x128 Peso (Kg) 17 Figura 38 Bateria de lítio Antes de descarregar, a bateria tem capacidade de fornecer energia durante 20 ciclos. Após a descarga, esta será carregada em alturas de inatividade. 4.5. COMPARTIMENTO DE COMPONENTES ELETRÓNICOS Como dito anteriormente, o compartimento central do chassi iria servir para acoplar os componentes eletrónicos. Na definição deste compartimento, há que ter em conta que este deve estar devidamente blindado, de modo a impossibilitar o acesso, indeliberado, aos componentes eletrónicos. Sendo assim, pensou-se que seria apropriado aplicar um sistema de gaveta com travão no fecho, com a finalidade de impedir que esta abra durante o funcionamento do RGV. Recorreu-se ao catálogo da Accuride, empresa cujo foco principal é o design e manufatura de soluções para movimento, com aplicações desde armários e gavetas, até todo o tipo de maquinaria, para selecionar a corrediça telescópica (Figura 39) a aplicar no sistema. A corrediça selecionada foi a de referência DZ3308-2, cujas especificações estão presentes na Tabela 7. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 55 Tabela 7 Especificações técnicas da corrediça DZ3308-2 Parâmetro Valor Capacidade de carga (Kg) 68 Extensão (mm) 711 Dimensão (mm) 711x50,8x12,7 Figura 39 Corrediça telescópica Por fim, apenas se modelou o compartimento que seria movido pelas corrediças, pelo que o sistema de gaveta pode ser visualizado na Figura 40. Figura 40 Sistema de gaveta Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 57 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS Concluindo esta tese, alcançou-se o pretendido, produzir um mecanismo funcional para distribuição de materiais, assim como uma melhoria na linha de montagem. Ainda se deverá fazer uma pequena alteração no pé da máquina ECO, de modo a garantir a fixação da mesma no RGV. Mesmo assim, não se efetuou uma análise estrutural à máquina, visto que estas alterações não afetariam o seu funcionamento ou resistência estrutural. As estações de montagem devem ser adaptadas, com uma calha de guiamento, de modo a garantir que o veículo transporte o material entre as mesmas. Após o cálculo dos esforços e solicitações a que o veículo estaria submetido, foi possível determinar o sistema de motorização do veículo, assim como o sistema de rodas e o chassi, após alguns protótipos. Não foi possível realizar um estudo estrutural prático do RGV, de modo a determinar se os resultados obtidos numericamente seriam compatíveis, devido a limitações temporais. Relativamente aos resultados obtidos com a FEA, percebeu-se que a estrutura terá resistência para suportar as cargas a que será submetida sem que o material da mesma ceda e deformações mínimas. Figura 41 Modelação final do veículo 5.1. TRABALHO FUTURO Tendo em conta que o objetivo do trabalho se enquadra na otimização de uma linha de montagem, mais especificamente no desenvolvimento e projeto de um sistema de manuseamento de material (RGV) a nível estrutural e mecânico, ainda há muito a ser estudado no que toca à composição eletrónica do veículo. Sendo assim, importante a realização de um Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 58 trabalho mais aprofundado ao aspeto eletrónico do RGV, seleção de componentes, programação do sistema de controlo, projeção de uma plataforma ergonómica e de fácil entendimento para a utilização, por parte dos trabalhadores, em ambiente industrial, assim como a produção de um protótipo físico. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 65 corredeiras, cintos, cintas de rolos, transportadora vibratória, transportadora de ripas, transportadora de rodas, pneumática, por carrinho ou por reboque. A.2.1.1. CORREDIÇAS Transportadora de corrediças é um dos métodos mais baratos para transporte de material e geralmente usado para ligar duas linhas de transportadoras e também para funcionar como acumulador em zonas de expedição. Corrediça em espiral é aplicável para transportar itens entre andares sem ocupar muito espaço. Apesar do preço reduzido, esta tecnologia é limitada no que toca ao tipo de material a ser transportado, caixas de determinada geometria podem ficar retidas no percurso e bloquear o fluxo de material. Figura A. 6 Corrediça em espiral A.2.1.2. TAPETE TRANSPORTADOR Um tapete transportador pode ser classificado e agrupado em vários tipos, os mais utilizados são, tapetes retos, tapete telescópico e tapete magnético. O tapete reto é utilizado no transporte de itens de peso reduzido ou médio, e com especial utilidade em situações onde existe uma inclinação no trajeto. Dado o atrito entre o cinto e a carga, o tapete garante uma boa estabilidade ao produto, porém, este atrito, irá dificultar na suavidade de transição de movimentos no tapete. O tapete pode ser de rolos ou de cinta, o último é utilizado para itens pequenos e de geometria irregular, o tapete de rolos é o mais usado, que suporta uma maior vaga de materiais e o mais económico. Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 66 Figura A. 7 Tapete reto Os tapetes telescópicos são tapetes retos articulados, que funcionam como a extensão de um telescópio comum, têm grande utilidade em zonas de cargas e descargas onde os tapetes se estendem até às carrinhas que chegam para carregar ou descarregar materiais. Figura A. 8 Tapete telescópico Tapetes magnéticos consistem em tapetes de aço e um slider magnético que permite o transporte de materiais ferrosos verticalmente, em volta de cantos, invertido e para a separação de materiais ferrosos e não ferrosos. Estas características permitem que se movam peças por cima de linhas de produção ou montagem, podendo-se economizar espaço no chão e evitar realocação de equipamento. A.2.1.3. ROLOS TRANSPORTADORES Rolos transportadores podem ser não motorizados, neste caso também são referidos como transportadores de “gravidade”, em que com a inclinação, o deslizamento do material pelos rolos levaria ao seu movimento de rotação. Podem também ser motorizados, em que os rolos são motorizados por cintas ou correias. Dentro deste conceito, existem Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 67 transportadores que possuem um rolo motor que irá transmitir potência aos restantes por correntes e cintas. Nos MDR (motorized drive roller), os rolos são motorizados por motores elétricos no seu interior, estes podem ser acionados quando detetam carga, e permanecer desativados quando a carga é retirada, por isto, esta tecnologia permite uma poupança de energia, comparativamente às transportadoras de rolos restantes. Figura A. 9 Rolos transportadores A.2.1.4. RODAS TRANSPORTADORAS O princípio e design é bastante semelhante aos rolos transportadores, as rodas são montadas em veios e o espaçamento destas é dependente do tipo de carga transportada. Apesar de ser, geralmente, uma opção mais barata que a de rolos, as rodas transportadoras estão limitadas a cargas leves. Figura A. 10 Rodas transportadoras A.2.1.5. TRANSPORTADORAS DE RIPAS Consistem em ripas espaçadas ao longo de um percurso, ligadas por correntes, a carga transportada mantém a sua posição relativa à superfície, pois a superfície da transportadora move com o material e controla a orientação e posicionamento da carga. Muito utilizado para Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 68 transportar cargas elevadas com geometrias “abrasivas” que podem danificar o tapete, são transportadas por transportadoras de ripas. Figura A. 11 Transportador de ripas A.2.1.6. CORRENTES TRANSPORTADORAS Correntes transportadoras são várias correntes agrupadas nas quais os objetos são carregados diretamente Figura A. 12 Correntes transportadores Otimização de linha de montagem: Sistemas de manuseamento de material 69 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Andersen, Lasse & Larsen, Jesper & Fraser, Elsje & Schmidt, Bjarne & Dyre, Jeppe. (2015). Rolling Resistance Measurement and Model Development. Journal of Transportation Engineering. Apple, J. M. (1972), “Material Handling Systems Design”, Ronald Press. Azef-Vaziri, A. & Laporte, G. (2005), “Loop-based Facility Planning and Material Handling”, European Journal of Operations Research, vol. 164. Barlow J. (1976). 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