Curso de Engenharia Mecânica PROJETO VISANDO A …lyceumonline.usf.edu.br/salavirtual/documentos/1757.pdf · PPRPS Programa de Prevenção de Riscos em Prensas e Similares PROM/OTP

Curso de Engenharia Mecânica

PROJETO VISANDO A IMPLANTAÇÃO DO PPRPS

Pedro Luiz Bais Gutierrez

Itatiba – São Paulo – Brasil

Junho de 2009

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Curso de Engenharia Mecânica

PROJETO VISANDO A IMPLANTAÇÃO DO PPRPS


Monografia apresentada à disciplina Trabalho de Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia Mecânica da Universidade São Francisco, sob a orientação da Profª. Ms. Silvia Elisabeth Sauaia Lopes, como exigência parcial para conclusão do curso de graduação. Orientadora: Profª. Ms. Silvia Elisabeth Sauaia Lopes

Itatiba – São Paulo – Brasil

Junho de 2009

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Projeto Visando a Implantação do PPRPS


Monografia defendida e aprovada em 17 de junho de 2009 pela Banca

Examinadora assim constituída:

Profª. Ms. Silvia Elisabeth Sauaia Lopes (Orientadora)

USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.

Prof. Dr. Fernando Cesar Gentile (Membro Interno)


Prof. Ms. Paulo Eduardo Silveira (Membro Interno)


iv

Dedico este trabalho a minha família, pais,

irmão, e namorada pelo apoio dado e que na

busca da formação superior, dedicando a maior

parte do tempo ao trabalho e ao estudo, falte

algumas vezes com a atenção necessária.

Do mesmo modo, dedico a todos os

professores que me ajudaram no decorrer do

curso, e nas dificuldades encontradas para

realizar este projeto.

Sou eternamente grato a todos.

v

.Agradecimentos

Agradeço primeiramente a Professora Silvia Elizabeth Sauaia Lopes, minha orientadora, que

acreditou em mim e incentivou-me para a conclusão deste trabalho, face aos inúmeros

percalços do trajeto.

Agradeço também ao Professor Mauricio José Bordon, Coordenador da Engenharia Elétrica

do Campus de Itatiba, pela disponibilização do laboratório e equipamentos.

Agradeço também ao Sr. João Alex Vaz Franciscon, Encarregado de Manutenção do

laboratório de Engenharia Elétrica, pela ajuda e apoio nos testes realizados para conclusão

deste trabalho.

Eu agradeço a todos.

vi

Sumário

Lista de Siglas ........................................................................................................................ viii

Lista de Figuras ........................................................................................................................ ix

Resumo .....................................................................................................................................xii

1 Introdução ......................................................................................................................... 13

1.1 Objetivos ...................................................................................................................... 14

1.2 Justificativas ................................................................................................................ 14

2 Breve estudo sobre microcontroladores ......................................................................... 16

2.1 Microprocessadores ..................................................................................................... 16

2.1.1 Unidades de memória ........................................................................................... 18

2.2 Microcontroladores ...................................................................................................... 18

2.3 Os microcontroladores da família 8051 ...................................................................... 19

2.4 Organização da memória do 8051 ............................................................................... 20

2.4.1 Arquitetura do 8051 .............................................................................................. 22

2.5 Temporizadores ........................................................................................................... 24

2.6 Interrupção ................................................................................................................... 25

2.7 Sistema Mínimo ........................................................................................................... 26

3 Desenvolvimento ............................................................................................................... 28

3.1 Descrição do produto ................................................................................................... 28

3.1.1 Características técnicas do produto ....................................................................... 30

3.2 Processo de conformação da caixa de cubo traseiro com batente ............................... 32

3.3 Máquina do processo de fabricação............................................................................. 35

3.4 Automação do processo de conformação .................................................................... 40

3.4.1 Especificação da operação automática.................................................................. 41

3.5 Dispositivo de armazenamento de blanks ................................................................... 42

3.6 Dispositivo de alimentação .......................................................................................... 43

3.6.1 Dimensionamento do solenóide ............................................................................ 45

3.6.2 Dimensionamento do motor de passo ................................................................... 48

3.6.3 Modelo da estrutura .............................................................................................. 50

3.6.4 Circuito de interface .............................................................................................. 51

3.6.5 Construção do protótipo ........................................................................................ 53

3.6.6 Desenvolvimento do programa ............................................................................. 55

3.7 Acionamento da caixa de engate e expulsão do blank da ferramenta ......................... 66

4 Conclusão .......................................................................................................................... 68

4.1 Contribuições ............................................................................................................... 68

Apêndice 1 – Desenhos de construção do protótipo do dispositivo de alimentação ......... 69

vii

Apêndice 2 – Desenhos de construção do protótipo do dispositivo de armazenamento de blanks ........................................................................................................................................ 81

Apêndice 3 – Desenho de construção do dispositivo de expulsão das peças acabadas ..... 94

Apêndice 4 – Desenho de construção do suporte para o atuador pneumático .................. 95

Apêndice 5 – Programa do dispositivo de alimentação ....................................................... 96

Referências Bibliográficas .................................................................................................... 103

viii

Lista de Siglas

ALU

CAD

Arithmetic Logic Unit

Projeto Auxiliado por Computador

CI

CISC

CLP

CPU

DIL

EEPROM

EPROM

IC

I/O

LER

Circuito Integrado

Complex Instruction Set Computer

Controlador Lógico Programável

Central Processing Unit

Dual In Line

Electrical, Erasable and Programmable Read Only Memory

Erasable and Programmable Read Only Memory

Integrated Circuit

Input/Output

Lesão por Esforço Repetitivo

MTE Ministério do Trabalho e Emprego

PMI Ponto Morto inferior

PPRPS Programa de Prevenção de Riscos em Prensas e Similares

PROM/OTP

RAM

ROM

T/C

UCP

Programmable Read Only Memory/One Time Programming

Random Access Memory

Read Only Memory

Temporizador/Contador

Unidade Central de Processamento

ULA Unidade Lógica e Aritmética

ix

Lista de Figuras

FIGURA 2 - 1 – MICROCONTROLADORES DA FAMÍLIA MCS-51, OU 8051. .................................. 20

FIGURA 2 - 2 – DIAGRAMA DE BLOCOS DOS MICROCONTROLADORES DA FAMÍLIA MCS-51

(DATASHEET MCS-51). ................................................................................................. 21

FIGURA 2 - 3 – MAPA DA MEMÓRIA DO 8051. ............................................................................ 22

FIGURA 2 - 4 – PINAGEM DO MICROCONTROLADOR 8051. .......................................................... 23

FIGURA 2 - 5 – REGISTRO TMOD. ............................................................................................. 25

FIGURA 2 - 6 – REGISTRO TCON. .............................................................................................. 25

FIGURA 2 - 7 – REGISTRO IE. ..................................................................................................... 25

FIGURA 2 - 8 – SISTEMA MÍNIMO DE LIGAÇÃO DO 8051 COM MEMÓRIAS EXTERNAS (TIPO

EPROM E TIPO RAM) (SILVA JR., 1994). ...................................................................... 27

FIGURA 3 - 1 – CAIXA DE CUBO TRASEIRO COM BATENTE. ......................................................... 28

FIGURA 3 - 2 – MONTAGEM DO CUBO TRASEIRO E SEUS COMPONENTES. .................................... 28

FIGURA 3 - 3 – MONTAGEM EM CORTE DO CUBO TRASEIRO E SEUS COMPONENTES. ................... 29

FIGURA 3 - 4 – BICICLETA E A DENOMINAÇÃO DE SUAS PARTES PRINCIPAIS. .............................. 30

FIGURA 3 - 5 – CAIXA DE CUBO TRASEIRO COM BATENTE EM CORTE E A FORMAÇÃO DO BATENTE.

.......................................................................................................................................... 31

FIGURA 3 - 6 – CAIXA DE CUBO TRASEIRO COM BATENTE EM CORTE E A DIVISÃO DA CAMADA

ENDURECIDA E O NÚCLEO TENAZ. ...................................................................................... 32

FIGURA 3 - 7 – FERRAMENTA DA PRIMEIRA OPERAÇÃO DA CAIXA DE CUBO TRASEIRO COM

BATENTE. ........................................................................................................................... 32

FIGURA 3 - 8 – ESTÁGIOS DA FORMAÇÃO DO BLANK NA FERRAMENTA DE CORTE E REPUXO. ...... 33

FIGURA 3 - 9 – FERRAMENTA DA SEGUNDA OPERAÇÃO DA CAIXA DE CUBO TRASEIRO COM

BATENTE. ........................................................................................................................... 34

FIGURA 3 - 10 – PERFIL DO PRODUTO APÓS O PROCESSO DE CONFORMAÇÃO. ............................. 34

FIGURA 3 - 11 - FERRAMENTA NO PMI (PONTO MORTO INFERIOR). .......................................... 35

FIGURA 3 - 12 – PRENSA EXCÊNTRICA UTILIZADA NA SEGUNDA OPERAÇÃO DA CAIXA DE CUBO

TRASEIRO COM BATENTE. ................................................................................................... 36

FIGURA 3 - 13 – PRENSA EXCÊNTRICA GENÉRICA COM A DENOMINAÇÃO DE SUAS PARTES

PRINCIPAIS. ........................................................................................................................ 36

FIGURA 3 - 14 – VOLANTE DE INÉRCIA E A DENOMINAÇÃO DE SUAS PARTES PRINCIPAIS. ........... 37

FIGURA 3 - 15 – EIXO EXCÊNTRICO E AS DUAS POSIÇÕES POSSÍVEIS DA CHAVETA. .................... 37

x

FIGURA 3 - 16 – CAIXA DE ENGATE E SUAS DUAS POSIÇÕES DE TRABALHO. ............................... 38

FIGURA 3 - 17 – FUNCIONAMENTO DO MECANISMO DE BIELA-MANIVELA (FERRARI FILHO,

2005). ................................................................................................................................ 39

FIGURA 3 - 18 – PRENSA EXCÊNTRICA COM DISPOSITIVOS PARA AUTOMAÇÃO DO PROCESSO DE

CONFORMAÇÃO. ................................................................................................................. 40

FIGURA 3 - 19 – CENTRALIZAÇÃO DO BLANK NA FERRAMENTA. ................................................ 41

FIGURA 3 - 20 – DISPOSITIVO DE ARMAZENAMENTO DE BLANKS. ................................................ 42

FIGURA 3 - 21 – POSIÇÕES DE TRABALHO DO DISPOSITIVO DE ARMAZENAMENTO DE BLANKS..... 43

FIGURA 3 - 22 – DISPOSITIVO DE ALIMENTAÇÃO E SUAS PARTES PRINCIPAIS. ............................. 44

FIGURA 3 - 23 – DISPOSITIVO DE ALIMENTAÇÃO E SUAS DUAS POSIÇÕES DE TRABALHO. ........... 44

FIGURA 3 - 24 – DESENHO PRELIMINAR DO MECANISMO DA PINÇA E AS FORÇAS QUE INCIDEM

SOBRE O MESMO. ................................................................................................................ 46

FIGURA 3 - 25 – GRÁFICO DA CURVA CARACTERÍSTICA DA FORÇA MAGNÉTICA DO SOLENÓIDE

(SOLETEC). ..................................................................................................................... 47

FIGURA 3 - 26 – SOLENÓIDE DA SÉRIE C, MODELO 025 C.C. (SOLETEC). ................................ 48

FIGURA 3 - 27 – DIAGRAMA DE CORPO LIVRE DO BRAÇO DO DISPOSITIVO. ................................. 49

FIGURA 3 - 28 – MOTOR DE PASSO, MODELO AK85HY588-1.8 (AKIYAMA SOLUÇÕES

TECNOLÓGICAS). ......................................................................................................... 50

FIGURA 3 - 29 – PRENSA EXCÊNTRICA UTILIZADA NO PROCESSO COM OS PROTÓTIPOS DOS

DISPOSITIVOS. .................................................................................................................... 50

FIGURA 3 - 30 – CIRCUITO DE INTERFACE. ................................................................................. 51

FIGURA 3 - 31 – CIRCUITO AMPLIFICADOR DE CORRENTE. ......................................................... 52

FIGURA 3 - 32 – DRIVER AKDMP5-5.0A. ................................................................................. 52

FIGURA 3 - 33 – DESENHO DO PROTÓTIPO E A LISTA DE COMPONENTES. .................................... 53

FIGURA 3 - 34 – LISTA DE MATERIAIS AMPLIADA. ...................................................................... 54

FIGURA 3 - 35 – MONTAGEM DO PROTÓTIPO CONCLUÍDA........................................................... 55

FIGURA 3 - 36 – FLUXOGRAMA DO PROGRAMA PRINCIPAL. ........................................................ 56

FIGURA 3 - 37 – LINHAS INICIAIS DO PROGRAMA. ...................................................................... 57

FIGURA 3 - 38 – DIRETIVAS DE IGUALDADE. .............................................................................. 58

FIGURA 3 - 39 – REGISTRO TMOD. ........................................................................................... 58

FIGURA 3 - 40 – REGISTRO TCON. ............................................................................................ 59

FIGURA 3 - 41 – REGISTRO ‘IE’. ................................................................................................. 59

FIGURA 3 - 42 – INSTRUÇÕES REFERENTES À SEQÜÊNCIA DE MOVIMENTAÇÃO DO DISPOSITIVO DE

ALIMENTAÇÃO. .................................................................................................................. 60

xi

FIGURA 3 - 43 – SEQÜÊNCIA DOS SINAIS DE ENTRADA (AKIYAMA SOLUÇÕES

TECNOLÓGICAS). ......................................................................................................... 61

FIGURA 3 - 44 – INSTRUÇÕES DE FINALIZAÇÃO DO PROGRAMA. ................................................. 62

FIGURA 3 - 45 – SUB-ROTINAS UTILIZADAS PELO PROGRAMA PRINCIPAL. .................................. 63

FIGURA 3 - 46 – GERAÇÃO DOS PULSOS CONSIDERANDO O MOMENTO DE INÉRCIA. .................... 66

FIGURA 3 - 47 – ATUADOR PNEUMÁTICO E SUPORTE. ................................................................. 66

FIGURA 3 - 48 – DISPOSITIVO PARA FORNECIMENTO DE AR. ....................................................... 67

xii

Resumo

O Programa de Prevenção de Riscos em Prensas e Similares (PPRPS) visa garantir a

proteção adequada à integridade física e à saúde de todos os trabalhadores envolvidos com as

diversas formas e etapas de uso das prensas excêntricas ou máquinas e equipamentos

similares. Através da nota técnica número 16/DSST publicada no dia 7 de março de 2005 pelo

Ministério do Trabalho e Emprego (MTE), o PPRPS está em vigor e exige o cumprimento das

modificações necessárias nas prensas excêntricas e máquinas similares do parque fabril de

todo o Brasil.

O projeto proposto neste trabalho de conclusão de curso tem o objetivo de apresentar os

dispositivos necessários para a automação do processo de conformação da segunda operação

da caixa de cubo traseiro com batente. A implementação do protótipo de alimentação

principal exposto no projeto contribui para uma parte da implantação do PPRPS exigido pelo

MTE, na empresa Gutierrez Metalúrgica Ltda..

Os resultados dos testes do protótipo realizados no laboratório de engenharia elétrica da

Universidade São Francisco foram satisfatórios. Deste modo, o projeto e a construção do

protótipo contribuem para o enclausuramento da zona de prensagem, conforme o PPRPS.

PALAVRAS-CHAVE: Automação, Conformação, Programa de Prevenção de Riscos em

Prensas e Similares.

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1 INTRODUÇÃO

As prensas excêntricas são máquinas utilizadas no corte e conformação de diversos

materiais, onde o movimento do martelo provém de dois tipos de sistemas, o sistema

mecânico (um mecanismo de biela-manivela transforma o movimento rotativo em linear) e o

hidráulico (cilindro hidráulico).

Entre o martelo e a mesa da prensa há um espaço para a fixação da ferramenta do

processo. Essa região é comumente chamada de zona de prensagem.

A zona de prensagem é uma região que pode oferecer riscos ao operador de máquina,

dependendo do modo como se trabalha na máquina, e do treinamento que esse profissional

recebeu de seus superiores.

De modo a garantir a proteção adequada, tanto à integridade física e quanto à saúde de

dos trabalhadores envolvidos com as diversas formas e etapas do uso de prensas, ou de

máquinas e equipamentos similares, o MTE (Ministério do Trabalho e Emprego) publicou a

nota técnica número 16/DSST do dia 5 de março do ano de 2005, que substitui a anterior

(número 37/DSST de 16 de dezembro de 2004), onde são feitas algumas considerações sobre

o uso das prensas excêntricas no Brasil (MINISTÉRIO DO TRABALHO E EMPREGO,

2005), como por exemplo:

- A alta incidência de acidentes de trabalho que atingem membros superiores dos

trabalhadores;

- Prensas e equipamentos similares são responsáveis por mais da metade dos acidentes de

trabalho com mutilação, analisados pela Inspeção de Segurança e Saúde no Trabalho do

MTE;

- O parque industrial brasileiro ainda utiliza equipamentos obsoletos e que oferecem

riscos de acidentes;

- A indústria dispõe de tecnologia suficiente para a proteção de prensas e similares, de

forma a evitar acidentes;

- Outras considerações sobre Convenção, Constituição Federal, artigos e normas técnicas,

que resumidamente asseguram a proibição do comércio de máquinas e equipamentos

similares sem dispositivos de segurança adequados e medidas de segurança em prensas e

equipamentos similares.

Assim, a nota técnica publicada pelo MTE originou o PPRPS. O PPRPS é aplicado em

todos os estabelecimentos que possuem prensas ou similares a fim de que nenhum trabalhador

14

execute suas atividades expondo-se as zonas de risco desprotegidas. Com este programa já em

vigor, sua implantação na empresa Gutierrez Metalúrgica Ltda. está em andamento, sendo

necessário ainda uma forma de enclausurar a zona de prensagem, de modo a deixar apenas

uma fresta, impedindo que os dedos do operador da prensa não ultrapassarem os limites

impostos. Esta barreira foi primeiramente implantada em algumas prensas e ainda é

necessário o uso de pinças (manualmente). Este procedimento é o atualmente utilizado. Outra

forma de implantar esta barreira é automaticamente, ou seja, através de um dispositivo de

alimentação.

1.1 Objetivos

Neste trabalho de conclusão de curso o objetivo principal é propor uma solução que

atenda satisfatoriamente o fechamento da zona de prensagem de uma prensa excêntrica,

conforme exigido pelo MTE, através da elaboração de um projeto para um dispositivo de

alimentação e também a construção de um protótipo. A base deste trabalho é um pré-projeto

para a automação do processo de fabricação da segunda operação da caixa de cubo traseiro

com batente, no qual o pré-projeto especifica todos os dispositivos utilizados na automação e

também o acionamento da prensa excêntrica.

1.2 Justificativas

A construção do protótipo é apenas uma parte da solução do processo automatizado

proposto, porém, apenas com sua utilização, seria possível atender o item 5.1 da nota técnica

número 16/DSST publicada pelo MTE e uma parte do PPRPS também exigido pelo MTE.

Com poucas modificações na programação, e talvez no circuito de interface, o alimentador

seria acionado por um botão. Assim, o operador não ficaria próximo à máquina e haveria a

possibilidade de enclausurar toda a zona de prensagem por meio de chapas furadas, ou grades,

por exemplo, permitindo apenas a passagem do braço do alimentador por uma fresta,

conforme as solicitações do MTE.

Na implementação de todo o processo proposto, o operador de máquina não ficaria

exposto a LER (Lesão por Esforço Repetitivo) e ocuparia outra posição na empresa, não mais

a de alimentar a prensa excêntrica manualmente, e sim a de alimentar o dispositivo com

blanks, podendo assim tomar conta de mais máquinas, na medida em que fossem

automatizadas pelo novo processo.

A ferramenta de conformação utilizada na operação de recalque terá sua vida útil

aumentada, pois com todo o processo automatizado, não haverá a possibilidade do blank ser

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colocado em alguma posição incorreta na ferramenta, como por exemplo, fora de centro,

provocando a perda de centro da ferramenta, possíveis micro trincas na matriz superior

gerando lascas no corpo da matriz, etc.. Como conseqüência também tem-se a redução do

número de paradas para centralização da ferramenta na máquina, do número de reafiações, do

desgaste por microtrincas, do lascamento e até mesmo fratura, que dependendo do grau da

avaria, a matriz superior teria que ser trocada por outra, sem a possibilidade de ser

recondicionada, ou reafiada.

O eixo excêntrico da prensa excêntrica, que suporta uma carga excessiva no caso da

colocação de blanks fora de centro, ocasionando o travamento do mecanismo biela-manivela,

também terá sua vida útil aumentada.

Por esses motivos e ganhos, o projeto de automação do processo de conformação poderá

interessar a outras empresas, que fabricam peças da mesma linha de produtos, ou até de peças

similares com pouca variação nas dimensões e geometria. Com poucas modificações no

dispositivo de armazenamento de blanks, e na pinça do alimentador, o projeto de automação

do processo de conformação da segunda operação da caixa de cubo traseiro com batente, pode

atender ao processo de fabricação de outros tipos de peças, como por exemplo, na própria

empresa, que produz outros tipos de caixas com batente para bicicleta, ou na fabricação de

cones do movimento de direção da bicicleta, ou em outras empresas do ramo de estampagem,

como as que fabricam peças para motocicletas, pois os cones de direção das motos de

pequeno porte são similares aos das bicicletas, etc..

16

2 BREVE ESTUDO SOBRE MICROCONTROLADORES

Neste capítulo será apresentada uma introdução aos microprocessadores e aos

microcontroladores e, na seqüência, o funcionamento do microcontrolador 8051. Em seguida,

será apresentado um sistema mínimo que utiliza o microcontrolador 8051, memórias do tipo

RAM e do tipo ROM, circuito do oscilador e circuito do reset.

2.1 Microprocessadores

O microprocessador também conhecido por CPU (Central Processing Unit), ou ainda em

português UCP (Unidade Central de Processamento), é um circuito integrado (CI ou IC,

abreviação do inglês: Integrated Circuit), ou seja, um dispositivo semicondutor, constituído

por milhões de transistores que implementam uma variedade de circuitos interiormente, como

por exemplo, registradores, máquinas seqüenciais, circuitos lógicos, etc.. Os

microprocessadores são responsáveis pela busca de um programa na memória e por sua

execução (GIMENEZ, 2002).

A programação é feita através das instruções. Todo microprocessador possui um conjunto

de instruções, ou seja, um conjunto limitado de tarefas que pode executar. A este conjunto ou

seqüência de instruções, é dado o nome de programa ou software (TORRES, 1999).

Ao executar um programa, a CPU é responsável pela obtenção das informações a serem

analisadas por meio de dispositivos de entrada (teclado, canal de comunicação serial, etc.),

pelo processamento (interpretação, manipulação, ordenação, modificação, cálculos lógicos ou

matemáticos, etc.) das informações e pela resposta (ação) do sistema microcomputadorizado a

uma determinada situação de controle para a qual ele foi projetado a fim de controlar, por

meio de um dispositivo de saída (escrita na memória de vídeo, transmissão de dados para

outro computador, acionamento de um relé, acionamento de um bip, etc.) (GIMENEZ, 2002).

Segundo GIMENEZ (2002), o microprocessador apresenta duas funções básicas: leitura

(busca) e interpretação do programa alocado na memória e execução do programa.

Na leitura e interpretação, o microprocessador busca na memória as instruções uma a

uma. Isso é feito através da operação de leitura de um byte na memória que corresponde a

uma determinada instrução e depois é realizada a decodificação, ou seja, a interpretação da

instrução lida, pois o microprocessador tem uma determinada quantidade de instruções que é

capaz de executar. Dessa maneira, ele precisa verificar qual dessas instruções deve ser

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executada. Assim, ao finalizar essa etapa, o microprocessador sabe o que fazer. O próximo

passo é a execução da instrução.

Na execução do programa, é feita a transferência de dados dos registradores internos do

microprocessador para a memória ou para os dispositivos de entrada e saída, e vice-versa.

Pode também ocorrer à execução de operações lógicas e aritméticas, etc.

Esse processo de buscar, interpretar e executar instrução por instrução é uma atividade

contínua do microprocessador e, dessa forma, um programa é processado por inteiro

(GIMENEZ, 2002).

O microprocessador ou unidade de processamento central, segundo GIMENEZ (2002), é

constituído por três partes principais: a unidade lógica e aritmética, os registradores internos e

o bloco de temporização e controle.

A unidade lógica e aritmética (ULA), ou ALU (Arithmetic Logic Unit), é responsável

pela execução das instruções correspondentes às operações aritméticas e lógicas. Ao executar

uma instrução referente a uma operação aritmética ou lógica, também é definida a condição

numérica do resultado por meio de alguns bits sinalizadores, chamados de flags de

sinalização, tornando-os iguais a um (setando-os), ou tornando-os iguais a zero (resetando-

os). Outras instruções são capazes de testar esses flags de sinalização. Isso faz com que o

sistema microcomputadorizado possa gerenciar uma determinada situação de projeto ou

desempenhar uma determinada tarefa bem definida.

Os registradores internos são compostos por m registradores de n bits interligados em

paralelo entre si. Os valores m e n dependem das características de cada

microprocessador/microcontrolador. Como os registradores internos são formados por flip-

flops, é possível realizar operações de leitura e escrita de informações. Quando a CPU é

desenergizada, por apresentar características voláteis, essas informações são perdidas.

Um microcomputador de oito bits é capaz de processar informações de oito em oito bits

por vez (operações de movimentação de informações e operações aritméticas e lógicas).

Analogamente para os microcomputadores de 16 e 32 bits, quanto maior for a quantidade de

bits processados em paralelo por vez, maior será sua capacidade de processamento.

Os registradores internos da CPU são utilizados para o armazenamento temporário de

informações. Grandes quantidades de dados devem ser alocados nas memórias disponíveis do

sistema microcomputadorizado. O tempo de acesso a estes registradores é menor que o tempo

de acesso às informações que estão alocadas na memória. Assim são aplicados em operações

que necessitam de grandes velocidades de processamento, como por exemplo, na leitura de

uma tarja magnética de cartão de banco, etc.. Esses registradores são utilizados também na

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composição do programa, para atingir altas velocidades de processamento, melhorando o

desempenho da tarefa a ser realizada.

O bloco de temporização e controle é responsável pelo controle do fluxo de informações

do microprocessador para as unidades de memória e para as unidades de entrada e saída. Esse

bloco define os sinais de controle de temporização para o sincronismo do fluxo de

informações no sistema microcomputadorizado por meio da definição dos sinais de leitura

(read), de escrita (write), de inicialização do sistema (reset), de liberação dos barramentos de

dados e endereços, entre outros.

2.1.1 Unidades de memória

A memória armazena os programas e os dados a serem processados pelo

microprocessador. É dividida em memória ROM (Read Only Memory) e memória RAM

(Random Access Memory), ou seja, memória de armazenamento de programa e memória de

armazenamento de informações, respectivamente (TORRES, 1999).

Segundo GIMENEZ (2002), a memória ROM é do tipo não volátil, ou seja, na

desenergização do sistema o programa armazenado na ROM não será perdido. Por este

motivo, é utilizada para gravação do programa.

As memórias não voláteis normalmente utilizadas em microcomputadores são as

memórias ROM, PROM/OTP (Programmable Read Only Memory/One Time Programming),

EPROM (Erasable and Programmable Read Only Memory) e EEPROM (Electrical, Erasable

and Programmable Read Only Memory).

Conforme GIMENEZ (2002), a memória RAM é do tipo volátil, ou seja, todas as

informações armazenadas neste dispositivo serão perdidas na desenergização do sistema. É

utilizada para escrita e leitura das informações definidas pelo mundo externo, como por

exemplo, através de chaves, sensores, teclados, etc..

2.2 Microcontroladores

Os microcontroladores são dispositivos semicondutores em forma de CI, que integram

todas as partes básicas de um microcomputador, como por exemplo, a CPU, memórias não

voláteis (ROM/PROM/EPROM/EEPROM), memórias voláteis (RAM/SRAM/DRAM),

portas de entrada e saída, etc., (GIMENEZ, 2002). Assim, os microcontroladores possuem as

mesmas funções de um microprocessador, porém são limitados em termos de quantidade de

memória de dados, sendo utilizados em aplicações específicas, como por exemplo, em

19

automação residencial, em automação predial (elevadores, controladores de energia elétrica,

etc.), e em automação industrial (robótica, CLP – Controladores Lógicos Programáveis, etc.).

Conforme SILVA JR. (1994), uma das principais vantagens do microcontrolador está na

capacidade de ter seus programas gravados internamente, trazendo vantagens tanto no

tamanho reduzido, como na facilidade de programação. Assim, os microcontroladores

possuem a vantagem de trazer incorporados ao seu chip (CI), também os periféricos

necessários em aplicações industriais, ou de controle, como por exemplo, temporizadores,

portas de I/O (Input/Output), memórias, etc., permitindo a construção de sistemas compactos

e tão poderosos quanto os baseados em microprocessadores.

2.3 Os microcontroladores da família 8051

Segundo MACKENZIE (1999), a MCS-51 é uma família de microcontroladores

desenvolvidos, fabricados e comercializados pela Intel Corporation. Outros fabricantes de

CI’s, como a Siemens, a Advanced Micro Devices, a Fujtisu, e a Philips são licenciados como

fornecedores dos microcontroladores da família MCS-51.

O termo “8051” é usado genericamente para os microcontroladores da família MCS-51.

Alguns microcontroladores desta família são: 8031, 8051, 8751, etc..

O 8051 é um microcontrolador de 8 bits. Permite controle em tempo real, execução de

complexas operações lógicas e aritméticas, manipulação de dados de 16 bits, expansão de

memória, trabalha com bancos registradores nominais e com bits individualmente

endereçáveis na RAM.

As principais características do 8051 são (SILVA JR., 1994):

- Oscilador interno;

- 4 Kbytes de ROM (interna);

- 128 bytes de RAM (interna);

- 21 registros de funções especiais;

- 4 portas de I/O de 8 bits;

- Capacidade de endereçar até 64 Kbytes de memória de dados externa;

- Capacidade de endereçar até 64 Kbytes de memória de programa externa;

- 2 temporizadores/contadores de 16 bits;

- Porta serial full-duplex;

- Estrutura de interrupção com 5 fontes e 2 níveis de prioridade;

- 210 localizações de bits endereçáveis.

20

Na figura 2-1 são apresentados os microcontroladores da família MCS-51 e as

características que os diferenciam, conforme MACKENZIE (1999).

Número do componente

Memória de programa

Memória de dados

Temporizadores

8051 4K ROM 128 bytes 28031 0K 128 bytes 28751 4K EPROM 128 bytes 28052 8K ROM 256 bytes 38032 0K 256 bytes 38752 8K EPROM 256 bytes 3

Figura 2 - 1 – Microcontroladores da família MCS-51, ou 8051.

Neste trabalho de conclusão de curso foi utilizado o kit didático módulo SDM 9431 do

laboratório de engenharia elétrica da Universidade São Francisco, fornecido pelo fabricante

DATAPOOL ELETRÔNICA LTDA, juntamente com os manuais de teoria e prática. Neste

kit didático está instalado o microcontrolador 80C31 da família 8051.

O microcontrolador 80C31 é uma versão da família 8051, com todas as características

dessa família, porém sem a ROM interna e com 128 bytes de memória RAM interna,

MACKENZIE (1999).

2.4 Organização da memória do 8051

O 8051 trabalha separadamente com memória de programa e com memória de dados.

Conforme a SILVA JR. (1994), a separação das memórias de programa e de dados, permite

que a memória de dados possa ser acessada por um endereçamento de oito bits. Contudo, um

endereço de dezesseis bits também poderá ser gerado através do registro DPTR, utilizado

como apontador de dados.

Na figura 2-2 é mostrado o diagrama de blocos do microcontrolador 8051, conforme o

datasheet disponibilizado na internet pela Intel.

21

Figura 2 - 2 – Diagrama de blocos dos microcontroladores da família MCS-51 (DATASHEET MCS-51).

Na versão 8031 a memória de programa é gravada externamente, pois não possui a ROM

interna, conforme SILVA JR. (1999).

A memória de programa pode ser de até 64 Kbytes (SILVA JR., 1994), sendo que os

primeiros quatro Kbytes estão na ROM interna (invioláveis). Se o pino EA estiver em nível

lógico alto, a CPU endereça a ROM interna, a menos que o PC (Program Counter – Contador

de Programa) exceda 0FFFH. OS 60 Kbytes restantes (1000H a FFFH) são buscados

externamente. Se EA estiver em nível lógico baixo, a CPU trabalha somente com a memória

de programa externa (64 Kbytes). No 8031, o pino EA é ligado em nível lógico zero

externamente (DATAPOOL ELETRÔNICA LTDA).

Na Figura 2-3 é mostrado o mapa da memória do 8051.

22

Figura 2 - 3 – Mapa da memória do 8051.

A memória de dados consiste de 128 bytes de RAM interna, mais 21 registros de funções

especiais, sendo ainda possível uma expansão para mais 64 Kbytes de memória externa. A

memória de dados interna usa endereçamento de oito bits.

Conforme o manual do kit didático (DATAPOOL ELETRÔNICA LTDA), o

endereçamento da memória de dados externa é feito com largura de um ou dois bytes.

2.4.1 Arquitetura do 8051

A arquitetura do 8051 está baseada na arquitetura de Von-Neumman tradicional, onde o

barramento é utilizado para fazer a busca a instruções na memória de programa e para acessar

(escrever ou ler) a memória de dados.

Os microcontroladores com arquitetura de Von-Neumman são designados por

“microcontroladores CISC”. CISC provém de Computador com um Conjunto Complexo de

Instruções (Complex Instruction Set Computer).

Na Figura 2-4 é apresentado o encapsulamento DIL (Dual In Line) para o 8051, e a

pinagem, conforme SILVA JR. (1994).

23

Figura 2 - 4 – Pinagem do microcontrolador 8051.

Os pinos têm a seguinte função:

- Comum: (VSS) – pino de entrada de referência zero volts;

- Fonte: (Vcc) – pino de entrada de tensão de alimentação de +5 volts;

- Porta 0: (P0.0 – P0.7) – A porta 0 é uma porta bidirecional de 8 bits. É usada para

multiplexar o barramento de dados e o barramento de endereço menos significativo, durante o

acesso a memória de dados externa ou a memória de programa externa;

- Porta 1: (P1.0 – P1.7) – A porta 1 é uma porta bidirecional de 8 bits com resistores

‘pull-up’ internos. Assim estes pinos funcionam como entradas ou como saídas;


‘pull-up’ internos. Esta porta é usada para colocar o byte de endereço mais significativo,

durante o acesso a memória de programa externa ou a memória de dados externa, com

endereçamento de 16 bits;


‘pull-up’ internos. A porta 3 possui funções especiais que incluem as operações de

comunicação serial, interrupções externas, temporizadores e sinais de leitura/escrita:

• RXD (P3.0) – entrada da porta serial;

24

• TXD (P3.1) – saída da porta serial;

• INT0 (P3.2) – entrada da interrupção externa (INT0);

• INT1 (P3.3) – entrada da interrupção externa (INT1);

• T0 (P3.4) – entrada externa para temporizador 0;

• T1 (P3.5) – entrada externa para temporizador 1;

• WR (P3.6) – saída habilitadora de escrita para memória de dados externa;

• RD (P3.7) – saída habilitadora de leitura para memória de dados externa.

- RESET: (RST) – Um nível lógico alto neste pino com duração de pelo menos dois

ciclos de máquina, enquanto o oscilador estiver operando, realiza uma inicialização (reset) do

circuito;

- ALE: Este pino opera como saída habilitadora do latch de endereçamento, durante um

acesso a memória externa;

- PSEN: Este pino é uma saída que habilita a leitura de uma memória de programa

externa. PSEN não será ativado durante uma busca a memória de programa interna;

- EA: Este pino é uma entrada que deverá ser ligada a nível lógico alto, para que o

processador tenha acesso a memória interna de programa, nos endereços de 0000H até

0FFFH, e acesso a memória externa de programa, para endereços acima de 0FFFH. Se estiver

ligado ao nível baixo, toda a área de memória de programa, de 0000H a FFFFH, será externa;

- XTAL1: Entrada para o oscilador inversor interno e para o circuito gerador de

temporização interno;

- XTAL2: Saída do oscilador amplificador e inversor interno.

2.5 Temporizadores

O microcontolador 8051 possui dois registros de dezesseis bits, que podem ser utilizados

como temporizadores ou como contadores de eventos (T/C). Estes dois T/C’s podem ser

habilitados ou desabilitados tanto pelo software como pelo hardware, ou seja, pelos bits em

seus registros de controle ou pelos pinos de interrupção, respectivamente (SILVA JR., 1994).

Os T/C’s são programados pelo software e operam de maneira independente dos demais

periféricos do microcontrolador. Na função de temporização, o registro é incrementado a cada

ciclo de máquina, já na função de contador, o registro é incrementado a cada transição do

sinal externo da porta três, conforme os bits dois e seis do registro de função especial TMOD

(SILVA JR., 1994).

O modo de operação e o controle dos T/C são feitos pelos registros TMOD, TCON e IE.

25

Nas Figuras 2-5, 2-6 e 2-7 são apresentados os bits do registro TMOD, TCON e IE,

respectivamente.

Bit: 7 6 5 4 3 2 1 0

GATE-1 C/T-1 M1-1 M0-1 GATE-0 C/T-0 M1-0 M0-0

Temporizador 1 Temporizador 0

Figura 2 - 5 – Registro TMOD.

Bit: 7 6 5 4 3 2 1 0

TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0


Figura 2 - 6 – Registro TCON.

Temp 1/0 SerialBit: 7 6 5 4 3 2 1 0

EA X X ES ET1 EX1 ET0 EX0


Figura 2 - 7 – Registro IE.

Maiores detalhes sobre o funcionamento, os registradores para controle dos

temporizadores serão apresentados no capítulo três.

2.6 Interrupção

O 8051 possui cinco fontes de interrupção (SILVA JR., 1994):

- Interrupção Externa 0 (pino 2 da Porta 3)

- Interrupção Externa 1 (pino 3 da Porta 3)

- Temporizador/Contador 0 (overflow)

- Temporizador/Contador 1 (overflow)

- Porta Serial

Cada interrupção pode ser individualmente habilitada ou desabilitada. Pode-se também

desabilitar todas de uma só vez. As interrupções podem ter apenas dois níveis de prioridade. No

programa desenvolvido neste trabalho é utilizada apenas uma interrupção (pino P3.2), assim não

é necessário utilizar o registro para controle dos níveis de prioridade (IP).

No momento em que a interrupção é solicitada (no caso por uma chave externa), a CPU

desvia o fluxo do programa para um endereço pré-definido (DATAPOOL ELETRÔNICA

LTDA). O kit didático é fornecido pela DATAPOOL com a instrução ‘LJMP 4230’ pré-definida

no endereço para desvio da interrupção. Essa instrução desvia o fluxo do programa para o

endereço 4230h, porém essa área da RAM é utilizada pelo programa MONITOR (programa para

26

funcionamento do kit didático). Portanto, não poderá comportar uma rotina de interrupção muito

grande. Assim, no endereço 4230h foi inserida a instrução ‘LJMP EMERG’. Essa instrução

desvia o fluxo do programa para o endereço ‘EMERG’, onde estão localizadas as instruções para

o atendimento da interrupção.

A execução da sub-rotina prossegue a partir deste endereço (EMERG), até que a instrução

RETI seja encontrada.

O registro IE (Figura 2-7) possibilita a escolha de qual ou quais interrupções serão

habilitadas (ou desabilitadas). Onde seus bits possuem as seguintes funções (x = irrelevante,

pode ser 0 ou 1):

- EA: EA=0 desabilita todas as interrupções. Se EA=1, cada fonte de interrupção é

habilitada ou desabilitada em função dos bits de controle individuais a seguir.

- ES: ES=1 habilita a interrupção da Porta Serial. Se ES=0, a interrupção da Porta Serial é

desabilitada.

- ETx: ETx=1 habilita a interrupção do Temporizador "x". Se ETx=0, a interrupção do

Temp. "x" é desabilitada.

- EX1: EXx=1 habilita a interrupção externa "x". Se EXx=0, a interrupção externa "x" é

desabilitada.

2.7 Sistema Mínimo

Abaixo é apresentado um sistema mínimo de conexão utilizando o microcontrolador

8031, memórias de programa e de dados externas, circuitos do oscilador e de reset.

27

Figura 2 - 8 – Sistema mínimo de ligação do 8051 com memórias externas (Tipo EPROM e Tipo RAM) (SILVA JR., 1994).

No kit didático utilizado nos testes do protótipo, as portas zero e dois são utilizadas para

endereçar as memórias externas (EPROM e RAM) (DATAPOOL ELETRÔNICA LTDA),

através da multiplexagem da via de dados e de endereços (SILVA JR.,1994).

28

3 DESENVOLVIMENTO

Neste capítulo será apresentada a caixa de cubo traseiro com batente, o processo de

fabricação empregado, o funcionamento da máquina do processo de fabricação, o projeto de

automação e a construção do protótipo responsável pela alimentação dos blanks na ferramenta

da prensa excêntrica.

3.1 Descrição do produto

A caixa de cubo traseiro com batente tem a função de revestir o cubo traseiro da roda da

bicicleta e alojar o rolamento de esferas. Na Figura 3-1 é apresentada a caixa de cubo traseiro

com batente e na Figura 3-2 é apresentada a montagem do cubo traseiro e seus componentes.

Figura 3 - 1 – Caixa de cubo traseiro com batente.

Figura 3 - 2 – Montagem do cubo traseiro e seus componentes.

29

Conforme apresentado na Figura 3-2, a caixa de cubo traseiro com batente é montada no

cubo traseiro pelo seu diâmetro externo. É uma montagem com um ajuste de interferência,

conforme a norma sueca para caixas de cubo traseiro com batente. Na parte interna da caixa

de cubo traseiro com batente é alojado o rolamento composto pelas esferas e pelo porta esfera.

O protetor de pó é montado no cone. Essa montagem também é com ajuste de

interferência. O cone tem a função de uma porca convencional para rosqueamento no eixo,

mais a função de ajustagem do rolamento de esferas, pois possui um raio que tangencia as

esferas, e essas tangenciam o raio interno da caixa de cubo, conforme a Figura 3-3.

Figura 3 - 3 – Montagem em corte do cubo traseiro e seus componentes.

A montagem do cubo é finalizada com a fixação desse conjunto de componentes nos dois

alojamentos do cubo.

Na Figura 3-4 é apresentada a localização do cubo na bicicleta e a denominação das

partes principais da bicicleta.

30

Figura 3 - 4 – Bicicleta e a denominação de suas partes principais.

O cubo traseiro está localizado no centro da roda da bicicleta. No cubo são montados os

raios. Os raios são fixados no aro. No aro são montados a câmera e o pneu, constituindo a

roda da bicicleta. Finalmente, todo este conjunto é fixado pelo eixo, mais arruelas e porcas, no

quadro da bicicleta.

3.1.1 Características técnicas do produto

A caixa de cubo traseiro com batente possui características específicas devido aos

processos de conformação a frio, tratamento termoquímico de cementação e o tratamento

térmico de oxidação negra.

Segundo CALLISTER (2002), as operações de conformação consistem naquelas onde a

forma de uma peça metálica é alterada mediante a deformação plástica. A deformação é

induzida por uma força ou tensão externa, cuja magnitude excede o limite de escoamento do

material. Quando a deformação é obtida a uma temperatura abaixo daquela na qual a

recristalização ocorre, o processo é conhecido por trabalho a frio. Deste modo, o trabalho a

frio produz um aumento na resistência mecânica com uma conseqüente redução da

ductilidade, devido ao encruamento do material.

Na operação de conformação ocorre o deslocamento de uma porção de material de uma

região para outra. Na Figura 3-5 é apresentada a caixa de cubo traseiro com batente em corte,

e a porção de material que origina o flange, denominado de batente.

31

Figura 3 - 5 – Caixa de cubo traseiro com batente em corte e a formação do batente.

As caixas de cubo, de um modo geral, são produzidas a partir de retalhos de chapa de

baixo teor de carbono (0,1 % a 0,15 % C), das mais diversas formas. O tratamento

termoquímico de cementação utilizado atualmente é o mais indicado para aços com esta

característica (MAGAROLA, 1987).

Os processos de endurecimento superficial são processos que visam a obtenção de peças

de aço dotadas de uma fina camada superficial de elevada dureza, mantendo ao mesmo tempo

um núcleo com dureza relativamente baixa. Como conseqüência, tem-se uma camada

superficial com alta resistência ao desgaste, alta resistência a esforços de compressão e alta

resistência a fadiga.

Os processos de endurecimento superficial podem ser divididos em duas categorias

distintas, aqueles que envolvem alteração da composição química da camada superficial

(cementação e nitretação) e aqueles que envolvem o rápido aquecimento e a têmpera posterior

desta mesma camada (têmpera por chama, têmpera por indução).

O processo de endurecimento superficial de cementação é o processo mais utilizado

atualmente e tem permanecido praticamente inalterado ao longo do tempo. Este processo é

geralmente utilizado na produção de pistas e roletes de rolamento, engrenagens, buchas e

juntas homocinéticas. O método consiste essencialmente no aquecimento da peça envolta em

um meio rico em carbono, fazendo com que o carbono se difunda para o interior, aumentando

o teor de carbono da camada superficial (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE).

Na Figura 3-6 é apresentado um desenho do perfil da caixa de cubo traseiro com batente

e a divisão entre a camada superficial e o núcleo.

32

Figura 3 - 6 – Caixa de cubo traseiro com batente em corte e a divisão da camada endurecida e o núcleo tenaz.

O tratamento térmico de oxidação negra tem a função de aumentar a resistência à

corrosão e também fornecer à peça boa aparência estética (HS-TRATAMENTO

SUPERFICIAL).

O processo consiste em produzir um filme de óxido de ferro preto, uniforme e aderente

na superfície, o qual apresenta uma proteção média contra corrosão e não altera as dimensões

e propriedades físicas ou mecânicas, da peça tratada.

3.2 Processo de conformação da caixa de cubo traseiro com

batente

As caixas de cubo traseiro com batente são fabricadas em basicamente duas operações de

estampagem: corte e repuxo e conformação ou recalque.

A primeira operação da caixa de cubo traseiro com batente é realizada em uma

ferramenta combinada para corte e repuxo, conforme a Figura 3-7.

Figura 3 - 7 – Ferramenta da primeira operação da caixa de cubo traseiro com batente.

33

Um retalho de chapa é colocado sobre a matriz e, com o acionamento da prensa, o macho

desce cortanto o retalho de chapa, formando um disco com um diâmetro igual ao do diâmetro

externo do macho.

O disco é prensado entre a face do macho e a face do prensa-chapa, o macho continua

descendo e começa a operação de repuxo.

Na operação de repuxo, o disco obrigatoriamente assume a forma do miolo, devido ao

movimento de descida do macho e o atrito entre o miolo e a parede interna do macho. Na

Figura 3-8 são apresentados os estágios do repuxo e o aspecto do blank em cada estágio.

Figura 3 - 8 – Estágios da formação do blank na ferramenta de corte e repuxo.

A peça obtida das operações de corte e repuxo é denominada de blank. Por definição

blank é uma peça pré-acabada, que irá sofrer operações posteriores.

Ao chegar no ponto máximo de descida, já definido na regulagem da prensa, o macho

sobe juntamente com o blank, que fica preso na sua parede interna. No retorno para a posição

inicial, o pino de extração bate em um anteparo, denominado de “régua da prensa”, e o blank

cai em cima da matriz. O blank é retirado e um novo ciclo é iniciado.

A segunda operação da caixa de cubo traseiro com batente é realizada em uma ferramenta

de conformação, conforme a Figura 3-9.

34

Figura 3 - 9 – Ferramenta da segunda operação da caixa de cubo traseiro com batente.

Um blank é colocado no centro da ferramenta em cima do miolo e da placa de choque.

Nessa ferramenta o miolo possui também a função de centralizar o blank. E com o

acionamento da prensa, a matriz de conformação desce formando o batente na peça.

Nesse processo de conformação, além da formação do batente, também ocorre a

calibragem dos diâmetros internos e externos da peça (figura 3-10).

Figura 3 - 10 – Perfil do produto após o processo de conformação.

Na Figura 3-11 é apresentada a ferramenta de conformação no máximo curso de descida,

ou seja, o Ponto Morto Inferior (PMI), e também o detalhe ampliado da conformação do

blank.

35

Figura 3 - 11 - Ferramenta no PMI (Ponto Morto Inferior).

Ao chegar no PMI, ocorre a conformação do blank. Em seguida, o martelo da prensa

sobe, levando a peça que fica presa na parede do diâmetro interno da matriz de conformação.

Assim, como na primeira ferramenta, no retorno para sua posição inicial, o pino extrator

bate na régua da prensa, e a peça cai em cima da placa de choque. A peça acabada é retirada

da ferramenta e um novo ciclo é iniciado.

3.3 Máquina do processo de fabricação

A máquina do processo é uma prensa excêntrica, da marca Harlo, com capacidade de 80

KN.

Na Figura 3-12 é apresentada a prensa excêntrica utilizada na operação de conformação

da caixa de cubo traseiro com batente. Na Figura 3-13 é apresentado um desenho de uma

prensa excêntrica genérica com a denominação de suas partes principais.

36

Figura 3 - 12 – Prensa excêntrica utilizada na segunda operação da caixa de cubo traseiro com batente.

Figura 3 - 13 – Prensa excêntrica genérica com a denominação de suas partes principais.

37

O acionamento de uma prensa excêntrica genérica ocorre da seguinte maneira:

- Um motor de corrente alternada inicia o movimento do primeiro volante de inércia

através das correias;

- O movimento do primeiro volante de inércia é transmitido através de uma engrenagem

em contato com os dentes do segundo volante de inércia. O volante de inércia funciona como

um acumulador de energia, devido a sua massa, a força de inércia o mantém em movimento

constante. Na Figura 3-14 é apresentado o volante de inércia e suas partes principais;

Figura 3 - 14 – Volante de inércia e a denominação de suas partes principais.

- O volante de inércia gira em torno de um eixo denominado de eixo excêntrico;

- O eixo excêntrico, que está parado até então, possui uma cavidade para encaixe da

chaveta, conforme a Figura 3-15.

Figura 3 - 15 – Eixo excêntrico e as duas posições possíveis da chaveta.

38

Quando a chaveta está na posição A, conforme a Figura 3-15, o volante de inércia gira

em torno da extremidade do eixo excêntrico. Com a chaveta na posição B, a aresta de contato

é acoplada em um dos dentes do volante de inércia, fazendo com que o mesmo transmita um

torque “x” para o eixo excêntrico, movimentando-o.

A mudança de posição da chaveta é feita por um dispositivo denominado caixa de engate.

Na Figura 3-16 é apresentada a caixa de engate e seus principais componentes.

Figura 3 - 16 – Caixa de engate e suas duas posições de trabalho.

A caixa de engate funciona da seguinte maneira:

- No acionamento do pedal mostrado na Figura 3-13, a haste C é movimentada para baixo

juntamente com a haste B da Figura 3-16;

- Conseqüentemente a haste A é trazida para baixo, conforme a posição B da Figura 3-16;

- Na Figura 3-15 a haste A, que serve como um anteparo mantendo a chaveta em “L” na

posição A, permite que a mola a traga para a posição B;

- Na posição B, a chaveta é acoplada em um dos dentes do volante de inércia, fazendo o

eixo excêntrico se movimentar;

39

- Após completar uma volta, a chaveta em “L” encontra a haste A na sua posição inicial

(anteparo), conseqüentemente a chaveta também retorna a sua posição inicial, mantendo o

giro do volante em torno do eixo excêntrico.

No acionamento da caixa de engate, o torque recebido do volante de inércia é transmitido

até a extremidade oposta do eixo excêntrico, onde se encontra o mecanismo de biela

manivela.

Na Figura 3-17 é apresentado um desenho do funcionamento do mecanismo de biela-

manivela.

Figura 3 - 17 – Funcionamento do mecanismo de biela-manivela (FERRARI FILHO, 2005).

O mecanismo de biela-manivela disponibiliza uma força variável ao martelo em função

da posição relativa do trecho excêntrico do eixo excêntrico em relação à linha central de

aplicação da força.

A máxima força disponível ou força de trabalho da prensa excêntrica é obtida no fim do

curso da máquina. O curso é o comprimento do movimento total para um ciclo de descida e

retorno do martelo a sua posição inicial, ou seja, é a distância entre os centros do eixo e do

trecho excêntrico vezes dois.

Ao chegar no PMI, ou seja, no curso máximo do martelo, o mecanismo de biela-manivela

retorna a sua posição inicial, a partir desse ponto, finalizando um ciclo.

40

3.4 Automação do processo de conformação

O processo automatizado consiste em substituir o operador de máquina nos movimentos

realizados para um ciclo do processo de conformação do blank da segunda operação da caixa

de cubo traseiro com batente. O ciclo é realizado pelos seguintes movimentos:

- Colocar o blank no centro da ferramenta;

- Acionar o pedal;

- Retirar a peça acabada da ferramenta.

Esses três movimentos que o operador de máquina necessita realizar, para conformar uma

única peça, serão substituídos por três dispositivos e um atuador pneumático, que são

montados na prensa excêntrica conforme a Figura 3-18:

Figura 3 - 18 – Prensa excêntrica com dispositivos para automação do processo de conformação.

O alimentador é fixado na mesa da prensa excêntrica por dois grampos que estão alojados

nos canais da mesa.

Os suportes para o tubo de armazenamento e para o ponto de fornecimento de ar, que

também têm a função de calço, são fixados através dos grampos de fixação da ferramenta na

mesa da máquina.

41

O suporte do cilindro pneumático é fixado na carcaça da máquina, logo abaixo da caixa

de engate, por quatro parafusos.

3.4.1 Especificação da operação automática

Os blanks são armazenados dentro de um tubo (Figura 3-18). Na extremidade inferior do

tubo, um mecanismo composto por dois solenóides e oito pinos, libera a passagem de um

blank a cada acionamento. O tubo está devidamente posicionado com o alimentador.

O alimentador é composto basicamente por um mecanismo de pinça, acionado por um

solenóide, e um motor de passo que desloca precisamente o braço do alimentador em

movimento circular. Na extremidade do braço está montado o mecanismo de pinça.

No acionamento do mecanismo do tubo, um blank cai na pinça do alimentador (Figura 3-

19).

Figura 3 - 19 – Centralização do blank na ferramenta.

O motor de passo é acionado e o blank é levado até o centro da ferramenta. Nesse ponto a

pinça é aberta e o blank cai em cima da placa de choque e do miolo. O blank é centrado

devido ao raio do miolo tangenciar o diâmetro interno do blank (Figura 3-19).

O braço retorna a sua posição inicial e à pinça é fechada. O mecanismo biela-manivela é

acionado pelo atuador pneumático e o blank é conformado. No retorno do martelo para a

42

posição inicial, o ponto de ar é acionado, expulsando o blank da ferramenta. O blank é

direcionado a um tambor ou uma gaveta, através de uma calha. Um novo ciclo é então

iniciado.

3.5 Dispositivo de armazenamento de blanks

O dispositivo de armazenamento de blanks é composto por um tubo, uma base, um

mecanismo para liberação da passagem dos blanks e um suporte. Na Figura 3-20 é

apresentado o dispositivo com a denominação de seus componentes.

Figura 3 - 20 – Dispositivo de armazenamento de blanks.

O mecanismo que libera a passagem dos blanks é composto por dois solenóides, oito

pinos, e duas juntas articuláveis (Figura 3-21). Os solenóides são acionados ao mesmo tempo

e operam em duas posições.

43

Figura 3 - 21 – Posições de trabalho do dispositivo de armazenamento de blanks.

Na posição A, a haste dos solenóides está avançada e o blank que estava retido pelos

pinos P1 e P2, passa livremente pelo tubo e cai na pinça do alimentador.

Na posição B, a haste dos solenóides está na posição inicial de trabalho e o blank que

estava retido pelos pinos P3 e P4, passa livremente até encontrar os pinos P1 e P2, a haste do

solenóide permanece nesta posição até que haja uma nova solicitação pelo programa. Assim

os blanks são fornecidos um a um para a pinça do alimentador.

Os desenhos de construção deste dispositivo constam no apêndice II.

3.6 Dispositivo de alimentação

O dispositivo de alimentação é composto por uma carcaça, um braço, um motor de passo,

e um mecanismo de acionamento da pinça. Na Figura 3-22 é apresentado o dispositivo de

alimentação e suas partes principais.

44

Figura 3 - 22 – Dispositivo de alimentação e suas partes principais.

O mecanismo de acionamento da pinça é composto por um solenóide, duas hastes, uma

cunha e uma mola.

O braço do dispositivo trabalha sincronizadamente com o solenóide de acionamento do

mecanismo da pinça e opera em duas posições, conforme a Figura 3-23.

Figura 3 - 23 – Dispositivo de alimentação e suas duas posições de trabalho.

45

Na posição A, o braço está em sua posição inicial de trabalho, ou seja, está recuado. O

solenóide foi energizado e a pinça está fechada, pronta para receber o blank do dispositivo de

armazenamento de blanks.

No acionamento do motor de passo, o braço é deslocado em movimento circular até o

centro da ferramenta (posição B). Nesta posição, o solenóide foi desenergizado e a pinça é

aberta pela mola, que está na extremidade oposta a da cunha nas hastes da pinça (Figura 3-

22).

No momento em que a pinça é aberta, o blank cai centralizado em cima da placa de

choque e do miolo. Com o blank já posicionado no centro da ferramenta, o braço retorna para

a sua posição inicial de trabalho e o mecanismo de biela-manivela é acionado pelo atuador

pneumático.

3.6.1 Dimensionamento do solenóide

O solenóide foi dimensionado baseado na força necessária para manter a pinça fechada

durante um tempo determinado.

Primeiramente, foi feito um desenho preliminar do mecanismo da pinça com as suas

dimensões principais, as forças que incidem sobre a haste e as distâncias do ponto de apoio

das hastes até o ponto de aplicação das forças. E em seguida foram realizados os cálculos da

força necessária para manter a pinça em equilíbrio, ou seja, na posição fechada. E também o

cálculo do tempo em que a bobina do solenóide suporta o mecanismo em equilíbrio.

Na Figura 3-24 é apresentado o desenho preliminar do mecanismo da pinça e as forças

que incidem sobre o mesmo.

46

Figura 3 - 24 – Desenho preliminar do mecanismo da pinça e as forças que incidem sobre o mesmo.

Onde:

Fs = Força do solenóide

F = Força resultante

Fm = Força da mola

A força da mola foi obtida colocando-se diferentes pesos na mola e medindo-se o

deslocamento de compressão que cada um dos pesos causava na mola. Foi observado que a

massa de 0,5 kg realizava o deslocamento de seis milímetros, conforme calculado no

protótipo sólido feito no software Inventor.

Considerando a massa de 0,5 kg, que equivale a aproximadamente cinco Newtons, e

fazendo a somatória dos momentos no ponto de apoio igual a zero:

�� Equação 3-1

��

��

��

��

��

� ��

47

Encontrando a componente do eixo ‘x’ da força resultante:

� �� Equação 3-2

� ��

� � ��!� �

Assim, a força fornecida pelo solenóide para que a pinça se mantenha fechada é igual a

soma das componentes das forças resultantes no eixo ‘x’:

� � " �#�

� ��! " ��!

� ��

Considerando o tempo de um segundo para que o braço chegue no centro da ferramenta e

libere o blank, ou seja, o tempo que o solenóide está ativado, e considerando o tempo de dois

segundos, para que o solenóide seja desativado e o braço retorne a posição inicial, foi feito o

cálculo do período de ligação relativo (PL):

�$ �%��&��'()*%�� %��&��'()*%�� " %��'()*%�� Equação 3-3

�$ �� " ��+�

�$ ��+�

Conforme o gráfico da curva característica da força magnética do solenóide (Figura 3-25)

verificou-se que, trabalhando no curso de seis milímetros, e considerando o tempo de um

segundo com a bobina energizada e dois segundos desligada, a bobina do solenóide fornece

uma força de aproximadamente 5,0 N.

Figura 3 - 25 – Gráfico da curva característica da força magnética do solenóide (SOLETEC).

48

Conforme os cálculos efetuados acima e o gráfico da curva característica da força

magnética do solenóide da série C, modelo 025 C.C., este solenóide atende a aplicação em

estudo.

Na Figura 3-26 é mostrado o desenho do solenóide com suas dimensões principais.

Figura 3 - 26 – Solenóide da série C, modelo 025 C.C. (SOLETEC).

3.6.2 Dimensionamento do motor de passo

O dimensionamento do motor de passo foi baseado no cálculo do torque necessário para

rotacionar o braço do alimentador. Segundo HIBBELER (2005), os aspectos rotacionais

causados por um torque ou momento T, são governados pela Equação 3-4, onde I é o

momento de inércia de um corpo rígido e α é a aceleração desse corpo.

, -�� . Equação 3-4

O momento de inércia pode ser obtido pelo Teorema dos Eixos Paralelos (Equação 3-5)

(HIBBELER, 2005), onde Ig é o momento de inércia de um corpo, no caso o braço do

dispositivo, em relação a um eixo que passa seu centro de massa, m é a massa do corpo e d é a

distância a um outro eixo paralelo (centro do eixo do rotor do motor de passo).

- ��-) "��%/� Equação 3-5

Cálculo do momento de inércia (I): o momento de inércia Ig foi obtido a partir do sólido

dimensionando no software Inventor, e seu valor é 8,2 kg.m². Da mesma forma foram obtidas

49

a massa do braço, com valor de 1,4 kg, e a distância do centro de massa do braço ao centro do

rotor com valor de 0,1447 m (Figura 3-27). Assim o momento de inércia (I) é:

- �� " ��!/

- ��0)1�/�

Figura 3 - 27 – Diagrama de corpo livre do braço do dispositivo.

A aceleração é obtida pela equação 3-6, onde w é a velocidade angular e r é o raio da

trajetória do centro de massa do braço (HIBBELER, 2005).

.� 2/��3 Equação 3-6

.� ��4��5�/��3�

.� ��4��,�/��3�

Considerando que um período inicial gerado a partir dos pulsos fornecidos pelo programa

de 80 ms:

.� ��4��/��!�

.� �6��/�

O torque é obtido pela equação 3-4:

, ��6��

, !��6��

Como o braço exerce sobre o motor de passo o torque T, o motor de passo reage

exercendo um torque T’ de mesma intensidade e contrário à ação do braço:

, ,#�

,# !��6��

50

Verificando o torque disponível pelos motores de passo comercializados, foi escolhido o

motor de passo AK85HY588-1.8 que disponibiliza um torque de aproximadamente 3,14 N.m.

Na figura 3-28 é apresentado um desenho do motor de passo selecionado.

Figura 3 - 28 – Motor de passo, modelo AK85HY588-1.8 (AKIYAMA SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS).

3.6.3 Modelo da estrutura

A elaboração do modelo da estrutura do dispositivo (carcaça e braço) foi realizado

levando-se em consideração as dimensões dos componentes de acionamento (solenóide) da

pinça e de movimentação (motor de passo) já selecionados, e também as dimensões da prensa

excêntrica utilizada no processo de conformação.

Na figura 3-29 são apresentados os modelos protótipos dos dispositivos de alimentação,

armazenamento de blanks, expulsão dos blanks, e o atuador pneumático com suporte,

elaborados no software Inventor.

Figura 3 - 29 – Prensa excêntrica utilizada no processo com os protótipos dos dispositivos.

51

3.6.4 Circuito de interface

O circuito de interface para o dispositivo de alimentação de blanks é constituído por um

circuito amplificador de corrente, um relé e um driver, conforme apresentado na Figura 3-30.

Figura 3 - 30 – Circuito de interface.

Foi necessária a montagem do circuito amplificador de corrente, pois a corrente

disponível na porta do microcontrolador não era suficiente para acionar o relé, e permitir o

acionamento da bobina do solenóide. Na figura 3-31 é apresentada a montagem do circuito

amplificador de corrente no proto-board do kit didático.

52

Figura 3 - 31 – Circuito amplificador de corrente.

O driver utilizado na interface também é um circuito amplificador de corrente, porém

possui mais algumas funções, a saber: receber os sinais de pulso do microcontrolador e

distribuí-los às bobinas do motor de passo; controle do sentido de rotação do rotor do motor

de passo; habilitação do motor de passo. Na figura 3-32 é apresentado o driver AKDMP5-5

utilizado na interface, fornecido juntamente com o motor de passo pelo fabricante.

Figura 3 - 32 – Driver AKDMP5-5.0A.

53

3.6.5 Construção do protótipo

O protótipo foi construído a partir dos desenhos de construção extraídos do protótipo

sólido dimensionado no software Inventor. Na Figura 3-33 é apresentado o desenho principal

do protótipo sólido, juntamente com a lista de componentes (ampliada na Figura 3-34). Todos

os desenhos de construção (componentes usinados) deste dispositivo constam no apêndice I.

Figura 3 - 33 – Desenho do protótipo e a lista de componentes.

54

Figura 3 - 34 – Lista de materiais ampliada.

No dimensionamento da estrutura foram consideradas as dimensões padronizadas dos

materiais existentes no mercado, como por exemplo, espessura das chapas, parafusos

normalizados, etc., visando facilitar a usinagem. Foi ponderado também a disponibilidade dos

materiais no mercado, visando facilitar a compra dos mesmos, pois são materiais facilmente

encontrados na maioria dos comércios.

Na fabricação da estrutura do dispositivo não foi necessário a usinagem completa dos

componentes. Na Figura 3-35 é apresentada a mecânica do protótipo concluída e montada

com o solenóide e o motor de passo.

55

Figura 3 - 35 – Montagem do protótipo concluída.

Todo o trabalho de usinagem, fixação e montagem do dispositivo foi feito na

ferramentaria da própria empresa.

A montagem do circuito de interface do dispositivo foi feita no laboratório de engenharia

elétrica da Universidade São Francisco.

3.6.6 Desenvolvimento do programa

O programa foi desenvolvido na linguagem de programação assembler do 8051, mediante

as especificações da operação automática, as informações do circuito de interface e os

manuais dos componentes disponibilizados pelos respectivos fabricantes.

O programa está dividido em programa principal e sub-rotinas. A utilização de sub-

rotinas visa facilitar o desenvolvimento do programa e posterior entendimento de suas

funções na automação do processo.

O desenvolvimento do programa foi realizado no software de edição, compilação e

simulação Avocet. Os testes do programa e do protótipo foram realizados no módulo didático

SDM 9431.

O programa principal está estruturado da seguinte maneira: cabeçalho, diretiva de

endereçamento de inicio do programa, diretivas de igualdade, corpo do programa e sub-

rotinas.

Na Figura 3-36 é apresentado o fluxograma do programa e na Figura 3-37 são

apresentadas as linhas iniciais do programa (o programa completo consta no apêndice V):

56

Figura 3 - 36 – Fluxograma do programa principal.

57

MONITOR equ 01C0h ;rotina MONITOR do kit didático

CLR_DSP equ 10AAh ;rotina DISPLAY do kit didático (limpa display)

MENS equ 110Fh ;rotina MENS do kit didático (apresenta uma msg no display)

DSP_COM equ 109Ah ;rotina DSP_COM do kit didático (realiza função do display

;conforme o valor do acumulador)

MOTOR equ 90h ;(P1.0) motor equivale a 90h

CH_INI equ 94h ;(P1.4) ch_ini equivale a 94h

CH_FIM equ 95h ;(P1.5) ch_fim equivale a 95h

PINCA equ 93h ;(P1.3) pinça equivale a 93h

ROTACAO equ 91h ;(P1.1) rotação equivale a 91h

PASSO equ 92h ;(P1.2) passo equivale a 92h

INICIO:

;

; Utiliza subrotina MONITOR como fim do programa

;--------------------------------------------------------------------------

;--------------------------------------------------------------------------

;

; INICIO DO PROGRAMA PRINCIPAL

;

;--------------------------------------------------------------------------

DEFSEG MAIN,START=5000H,CLASS=CODE

SEG MAIN

; Programa para controle do dispositivo de alimentação.

;--------------------------------------------------------------------------

; Nome: Pedro Luiz Bais Gutierrez

;

; RA: 004200200242

;

Figura 3 - 37 – Linhas iniciais do programa.

Na inicialização do programa, a diretiva ‘DEFSEG MAIN,START=5000H’ direciona o

início do programa para o endereço 5000h. Isto é necessário, pois os endereços anteriores são

utilizados pelo kit didático para suas rotinas internas, como por exemplo, as rotinas de

manipulação do display, do teclado, etc..

Devido ao uso do kit didático, a interrupção externa foi implementada através da

instrução de desvio ‘LJMP FIM2’ colocada via teclado no endereço 4230h, que é o endereço

correspondente para a interrupção externa pela porta P3.2 (INT0), conforme (DATAPOOOL

ELETRÔNICA).

58

As instruções ‘CLR’ garantem que os bits de acionamento e controle do solenóide e

motor de passo estejam em nível lógico zero, ou seja, que os componentes estejam

inicialmente desligados (Figura 3-38).

INICIO:

CLR MOTOR ;motor inicialmente desligado

CLR ROTACAO ;seleciona o sentido da rotação

CLR PASSO ;bit de saída inicialmente em nível baixo

CLR PINCA ;pinça incialmente aberta

MOV TMOD,#01h ;temporizador 0 no modo de 16 bits

MOV TCON,#00h ;temporizador interno, inicialmente desligado (TR0=0)

;e interrupção externa aceita em nível baixo (IT0=0)

MOV IE,#81h ;habilita a interrupção externa, porta P3.2 (EA=1) e (EX0=1)

;como apenas uma interrupção ‚ utilizada não é necessário

;definir prioridade alta ou baixa (registro IP)

COMECO:

LCALL CLR_DSP ;limpa display

MOV DPTR,#MEN1 ;mensagem: 1

LCALL MENS

MOV A,#80h ;mensagem na primeira linha

LCALL DSP_COM

JNB CH_INI,$ ;chave setada = inicia programa

COMECO2: Figura 3 - 38 – Diretivas de igualdade.

Os registros TMOD e TCON são utilizados para seleção do modo de operação dos

temporizadores TIMER0 e TIMER1. O valor 01h no registro TMOD, seleciona o modo de 16

bits do Temporizador 0, conforme a Figura 3-39 (SILVA JR., 1994).

Bit: 7 6 5 4 3 2 1 0

GATE-1 C/T-1 M1-1 M0-1 GATE-0 C/T-0 M1-0 M0-0

01h 0 0 0 0 0 0 0 1


Figura 3 - 39 – Registro TMOD.

O modo de 16 bits do Temporizador 0 é selecionado, colocando o bit ‘M0-0’ em nível

alto (1) e o bit ‘M1-0’ em nível baixo (0) (SILVA JR., 1994).

O registro TCON é utilizado para controle dos temporizadores e também das interrupções

(SILVA JR., 1994). Na Figura 3-40 é apresentado o registro TCON.

59

Bit: 7 6 5 4 3 2 1 0

TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0

00h 0 0 0 0 0 0 0 0

Temporizador 1 Temporizador 0 Interrupção Externa

Figura 3 - 40 – Registro TCON. O bit ‘TR0’ em nível baixo (0) garante que o Temporizador 0 esteja inicialmente

desligado. Este bit deve ser levado a nível alto (1) para ligar o temporizador 0. O bit ‘TF0’ é

levado a nível alto pelo hardware, sempre que ocorrer um overflow no temporizador 0, ou

seja, sempre que o mesmo chegar ao final da contagem (FFFFh). O bit ‘IT0’ seleciona o

modo de ativação da Interrupção Externa 0, no caso, a Interrupção é aceita quando a CPU

detecta o nível lógico zero no pino P3.2 (bit ‘IT0’=0).

O último registro a ser inicializado é o ‘IE’, este registro é o habilitador das interrupções.

Na Figura 3-41 é apresentado o registro ‘IE’ (SILVA JR., 1994).

Todos Serial Timer 1 Int. Ext. 1 Timer 0 Int. Ext. 0Bit: 7 6 5 4 3 2 1 0

EA X X ES ET1 EX1 ET0 EX0

81h 1 0 0 0 0 0 0 1 Figura 3 - 41 – Registro ‘IE’.

O bit ‘EA’ habilita todas as interrupções quando em nível 1 e desabilita todas quando em

nível 0, independente de qualquer outro controle. Se em nível 1, permite a escolha de qual

interrupção será habilitada através dos controles individuais nos bits de 0 a 4. O bit ‘EX0’

habilita a Interrupção Externa 0 (pino P3.2).

Como apenas uma interrupção é utilizada, não é necessário definir a prioridade das

interrupções (registro IP).

Em seguida (após o label ‘COMECO’) estão inseridas as instruções para manipulação de

mensagens no display e também para verificação da chave de inicialização do programa, para

manipulação do display alfanumérico. As rotinas CLR-DSP, MENS e DSP_COM pertencem

ao programa interno do kit didático.

A instrução ‘JNB CH_INI,$’ verifica o bit ‘CH_INI’ e, enquanto estiver em nível lógico

zero, ocorrerá um desvio para a mesma instrução ($), ou seja, quando a chave de inicialização

do programa for acionada (bit CH_INI=1), o programa passa para a próxima instrução.

A partir do label ‘COMECO2’, começam as instruções referentes à seqüência de

movimentação do dispositivo de alimentação (Figura 3-42).

60

COMECO2:

SETB PINCA ;pinça fechada

SETB MOTOR ;motor habilitado

LCALL ATR_5US ;atraso de 5 micro seg

LCALL PULSO ;geração do pulso


CLR MOTOR ;motor desabilitado

CLR PINCA ;pinça aberta

LCALL ATR_1S ;tempo para que o blank caia no centro do estampo

SETB ROTACAO ;muda sentido de rotação do motor


SETB MOTOR ;habilita motor


LCALL PULSO ;geração do pulso



LCALL ATR_1S ;tempo para conformação do blank

CLR MOTOR ;desabilita motor


CLR ROTACAO ;muda sentido de rotação do motor

JNB CH_FIM,COMECO2 ;chave setada = finaliza programa

FIM: Figura 3 - 42 – Instruções referentes à seqüência de movimentação do dispositivo de alimentação.

A instrução ‘SETB’ é utilizada para “setar” um determinado bit, ou seja, colocar em nível

1. A instrução ‘LCALL’ é utilizada para chamada de uma sub-rotina. A instrução ‘CLR’,

“reseta” um bit, ou seja, coloca em nível 0.

Os seguintes passos são executados:

- Pinça fechada, o relé é acionado, permitindo a passagem de corrente pela bobina do

solenóide, avançando a cunha;

- Motor habilitado, é enviado um sinal para o driver, e este habilita o giro do rotor;

- Atraso superior a cinco micro segundos (sub-rotina de temporização);

- O atraso de um tempo superior a cinco micro segundos é necessário para que ocorra a

resposta adequada, conforme recomendado no manual do driver do motor de passo. Na Figura

3-43 é apresentada a seqüência dos sinais de entrada:

61

Figura 3 - 43 – Seqüência dos sinais de entrada (AKIYAMA SOLUÇÕES TECNOLÓGICAS).

- Geração dos pulsos: a sub-rotina para geração da onda quadrada (pulso), gera pulsos

com largura de 1,2 ms, conforme especificado no manual do driver (AKIYAMA SOLUÇÕES

TECNOLÓGICAS).

- Atraso superior a cinco micro segundos (µs);

- Motor desabilitado;

- Pinça aberta;

- Atraso de um segundo (sub-rotina de temporização), tempo para que o blank caia no

centro do estampo.

- Mudança do sentido de rotação;

- Atraso superior a cinco µs;

- Motor habilitado;


- Geração dos pulsos;


- Pinça fechada;

- Atraso de um segundo (sub-rotina de temporização), tempo para conformação do blank;

- Desabilita motor;


- Mudança do sentido de rotação;

62

Fim de um ciclo, a próxima instrução ‘JNB CH_FIM,COMECO2’, verifica a chave de

finalização do programa, enquanto estiver em nível lógico baixo, a instrução desvia o

programa para o label ‘COMECO2’ e um novo ciclo é iniciado. Quando a chave for acionada

(nível lógico alto), a CPU executa a instrução seguinte.

Na finalização do programa, após o label ‘FIM’ são utilizadas as sub-rotinas do display

(Figura 3-44), que enviam a mensagem ‘2’ para o display (pressione a tecla de parada e

reinicie o programa).

FIM:


LCALL MENS


LCALL DSP_COM

FIM2:

CLR MOTOR ;condições de inicialização do programa

CLR ROTACAO

CLR PASSO

CLR PINCA

LCALL MONITOR

;--------------------------------------------------------------------------

;

; INICIO DAS SUB-ROTINAS

;

;-------------------------------------------------------------------------- Figura 3 - 44 – Instruções de finalização do programa.

Após o label ‘FIM2’, todas as variáveis de controle do solenóide e motor de passo serão

resetadas, para garantir as condições iniciais de trabalho na próxima vez que o dispositivo for

utilizado e também por questões de segurança.

A região das sub-rotinas é o último campo do programa. As sub-rotinas são as seqüências

de instruções utilizadas mais de uma vez, que auxiliam o programa principal. Como exemplo

de sub-rotinas temos, as seqüências de instruções para geração dos pulsos, que determinam o

ângulo que o braço do dispositivo será deslocado ou a seqüência de instruções utilizadas para

ativar e controlar o temporizador. Na figura 3-45 são apresentadas as sub-rotinas utilizadas

pelo programa principal.

63

ATR_5US: MOV TH0,#0FFh ;começo da contagem (FFFA=65530) MOV TL0,#0FAh ;e após 5 pulsos dá um overflow SETB TR0 ;l iga temporizador JNB TF0,$ ;enquanto TF0=0 fica nesta instrução CLR TF0 ;reseta flag de overflow CLR TR0 ;desliga o temporizador RET

ATR_1_2MS: MOV TH0,#0FBh ;começo da contagem (FB4F=64335) MOV TL0,#4Fh ;e após 1200 pulsos dá um overflow SETB TR0 ;l iga temporizador JNB TF0,$ ;enquanto TF0=0 fica nesta instrução CLR TF0 ;reseta flag de overflow CLR TR0 ;desliga o temporizador RET

ATR_1S: MOV R0,#0Fh ;0Fh=15 em decimalVOLTA: MOV TH0,#00h MOV TL0,#00h SETB TR0 JNB TF0,$ CLR TF0 CLR TR0 DJNZ R0,VOLTA ;decrementa o R0, e desvia se for diferente de zero RET

PULSO: MOV A,#00hAV_RET: INC A SETB PASSO ;bit de saída em nível alto LCALL ATR_1_2MS ;atraso de 1,2 mili seg CLR PASSO ;bit de saída em nível baixo LCALL ATR_1_2MS ;atraso de 1,2 mili seg CJNE A,#62,AV_RET ;número de pulsos RET

EMERG: LCALL CLR_DSP MOV DPTR,#MEN3 ;mensagem: 3 LCALL MENS MOV A,#80h ;mensagem na primeira l inha LCALL DSP_COM LJMP FIM2 ;vai para o final do programa RETI

MEN1: DB 3,31 RET

MEN2: DB 3,32 RET

MEN3: DB 3,33 RET

END INICIO

;--------------------------------------------------------------------------;; INICIO DAS SUB-ROTINAS;;--------------------------------------------------------------------------

Figura 3 - 45 – Sub-rotinas utilizadas pelo programa principal.

64

A seqüência de instruções para as rotinas de atraso superior a cinco µs e de 1,2 ms é

praticamente a mesma, sendo necessária apenas uma alteração no valor inicial de contagem

do temporizador.

Os registradores ‘TH0’ e ‘TL0’ são utilizados para indicar o valor de inicial da contagem

do temporizador. O temporizador funciona como um contador, porém são contados os ciclos

de máquina. Um ciclo de máquina dura o equivalente a um µs (DATA POOL ELETRÔNICA

LTDA.). Nos registradores foi colocado o valor em hexadecimal FFFAh, que equivale a

65530 em decimal, e o temporizador de 16 bits chega até 65535 (FFFFh). Assim, sendo

realizadas cinco contagens. Cada contagem do temporizador dura um ciclo de máquina, ou

seja, um micro segundo (SILVA JR., 1994). Logo cinco micro segundos terão transcorridos

até o final da contagem e o flag de overflow é setado automaticamente pela CPU (TF0=1).

Como outras instruções estão envolvidas na sub-rotina, um tempo levemente superior a cinco

µs é conseguido.

A instrução ‘SETB TR0’, liga o temporizador. Enquanto a contagem não terminar, o flag

‘TF0’ continuará resetado e a instrução ‘JNB’ deixa o programa aguardando o final da

contagem.

No término da contagem o flag ‘TF0’ é setado e as instruções ‘CLR’ são executadas. O

flag de overflow é resetado e o temporizador é desligado. A instrução ‘RET’, retorna fluxo do

programa para a instrução seguinte do programa principal, após a instrução da chamada da

rotina.

Para o atraso de um segundo a rotina é praticamente a mesma, porém foi necessário um

contador, a fim de que o mesmo temporizador, deve contar mais vezes até totalizar o tempo

de um segundo.

Na rotina para a contagem do tempo de um segundo, a instrução ‘MOV R0,#0Fh’

carregou o registro R0 com o valor 0Fh (15 em decimal). Em seguida a rotina para a

contagem de 65535 ciclos de máquina foi executada, a instrução ‘DJNZ R0,VOLTA’

decrementa o registro R0, que passa a ter 0Eh (14 em decimal). Assim foi feita a contagem de

15 vezes o valor 65535, o que equivale a 983025 µs, que são aproximadamente um segundo.

A próxima sub-rotina implementa a geração dos pulsos.

Os pulsos são gerados pelo intercalamento das instruções ‘SETB PASSO’ e ‘CLR

PASSO’, onde o bit de saída (PASSO), permanece durante um determinado tempo setado, e

depois e permanece pelo mesmo tempo resetado, e assim sucessivamente.

65

Esse pulso é gerado sessenta e uma vezes, sendo 0,9 graus o passo do motor de passo, o

rotor é rotacionado em 54,9 graus, muito próximo do ângulo calculado (55 graus) no protótipo

sólido dimensionado software Inventor.

A cada pulso gerado a instrução ‘CJNE A,#62,AV_RET’ desvia para o label ‘AV_RET’,

o registro A é incrementado, e o valor de A é comparado com 62. Enquanto for diferente

ocorre o desvio para o label. Quando o valor de A for igual a 62 ocorre o retorno da sub-

rotina.

A rotina ‘EMERG’ é utilizada apenas na solicitação da interrupção do dispositivo pela

chave de emergência externa. No acionamento da chave o programa é desviado para este

endereço e são executas as intruções desta rotina.

A mensagem número 3 (máquina parada) é exibida no display, e o programa é

direcionado para o label ‘FIM2’, onde as variáveis de controle do dispositivo são resetadas, e

o programa é encerrado.

As rotinas ‘MEN1’, ‘MEN2’ e ‘MEN3’ são apenas para guardar a mensagem em forma

ASCII, que é aceito pelo display alfanumérico.

Na rotina ‘EMERG’, a instrução ‘LCALL CLR_DSP’ limpa o display de alguma

mensagem anterior que poderia estar sendo exibida. Na instrução seguinte o endereço de

MEN3 é copiado no registro DPTR. No momento em que é chamada a sub-rotina interna

MENS, o conteúdo de MEN3 é exibido no display. Esta seqüência de instruções é a mesma

utilizada para as três mensagens utilizadas no programa.

No display são exibidos apenas os números 1, 2 ou 3. Estes números correspondem as

mensagens que o usuário necessita saber:

- 1 – Pressione iniciar;

- 2 – Pressione a tecla de parada e reinicie o programa;

- 3 – Máquina parada.

3.6.6.1 Testes do programa

Os primeiros testes realizados no laboratório de engenharia elétrica da Universidade São

Francisco da implementação do protótipo com o programa desenvolvido não foram

satisfatórios, pois o torque do motor de passo não era suficiente para rotacionar o braço do

motor de passo adequadamente. Primeiramente no programa não havia sido considerado que a

freqüência dos pulsos gerados pela rotina do programa era muito alta para o motor de passo

iniciar a movimentação do braço do dispositivo (alto momento de inércia). Assim a rotina

66

para geração dos pulsos foi modificada, e passou a gerar inicialmente pulsos mais largos e de

menores freqüências (figura 3-46).

Figura 3 - 46 – Geração dos pulsos considerando o momento de inércia.

Na medida em que o braço do dispositivo adquire aceleração, são gerados pulsos mais

finos e de maior freqüência. Este mesmo conceito foi utilizado para desacelerar e iniciar o

retorno do braço para a posição anterior, porém na ordem inversa, assim, na media em que o

braço se aproxima da próxima posição, os pulsos se tornam mais largos e com menores

freqüências.

A nova sub-rotina para a geração dos pulsos consta no programa completo do apêndice

V.

3.7 Acionamento da caixa de engate e expulsão do blank da

ferramenta

O acionamento da caixa de engate é realizado por um atuador pneumático normalmente

avançado com retorno por mola. Seu acionamento ocorre através de uma válvula distribuidora

acionada por solenóide com retorno por mola. Na Figura 3-47, é apresentado o atuador

pneumático e seu suporte para montagem na prensa.

Figura 3 - 47 – Atuador pneumático e suporte.

67

No acionamento do atuador pneumático, a caixa de engate executa o acoplamento do

volante de inércia no eixo excêntrico, colocando o mecanismo de biela-manivela em

funcionamento.

No PMI o blank é conformado e é iniciado o retorno do martelo para sua posição inicial,

neste momento, a válvula distribuidora responsável pelo acionamento do ponto de

fornecimento de ar (Figura 3-48) é acionada. O ar com pressão é fornecido por um tempo

determinado até que a peça acabada seja expulsa da ferramenta, completando um ciclo.

Figura 3 - 48 – Dispositivo para fornecimento de ar.

Os desenhos de construção destes dispositivos constam nos apêndices III e IV.

68

4 CONCLUSÃO

A pesquisa desenvolvida e a construção do protótipo do dispositivo de alimentação

principal buscaram ao longo deste trabalho uma solução para a atual forma de se fabricar a

caixa de cubo traseiro com batente. Verificou-se também que o projeto proposto

especificamente para o processo de conformação deste produto pode atender também a outras

empresas que necessitam realizar as exigências do PPRPS impostas pelo MTE.

Pode-se dizer também que a primeira etapa do projeto de automação foi alcançado, pois

com o protótipo implementado e em funcionamento, o objetivo de contribuir para o

fechamento da zona de prensagem da prensa excêntrica, conforme o PPRPS, foi alcançado.

Nos testes do protótipo e do programa, obteve-se êxito no ciclo de funcionamento

automático do dispositivo de alimentação, onde foi considerado o seu funcionamento sem os

dispositivos restantes, porém em ciclo constante, podendo ser inicializado, parado e

interrompido, conforme utilização do usuário.

Para o funcionamento e testes na prensa excêntrica, a construção de uma placa para o

microcontrolador 8051 é necessária. Pelo fato do programa desenvolvido até o momento ser

pequeno, a escolha de um microcontrolador da família 8051 ou até mesmo de outra família

que tenha uma memória EPROM interna, se justifica pela simplificação da placa.

Com os resultados obtidos, conclui-se que a solução parcial proposta pelo funcionamento

isolado do alimentador contribui para a conclusão do PPRPS. Para trabalhos futuros,

recomenda-se a construção dos protótipos restantes para a conclusão total do PPRPS, sendo

possível enclausurar toda a máquina.

4.1 Contribuições

Este trabalho contribuiu tanto para a posterior conclusão do PPRPS, quanto para

melhores condições de trabalho para os operadores de máquina, da empresa Gutierrez

Metalúrgica Ltda. E também para outras empresas que possuem prensas excêntricas.

69

Apêndice 1 – Desenhos de construção do protótipo do dispositivo

de alimentação

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

Apêndice 2 – Desenhos de construção do protótipo do dispositivo

de armazenamento de blanks

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

Apêndice 3 – Desenho de construção do dispositivo de expulsão

das peças acabadas

95

Apêndice 4 – Desenho de construção do suporte para o atuador

pneumático

96

Apêndice 5 – Programa do dispositivo de alimentação

MONITOR equ 01C0h ;rotina MONITOR do kit didático

CLR_DSP equ 10AAh ;rotina DISPLAY do kit didático (limpa display)

MENS equ 110Fh ;rotina MENS do kit didático (apresenta uma msg no display)

DSP_COM equ 109Ah ;rotina DSP_COM do kit didático (realiza função do display

;conforme o valor do acumulador)

MOTOR equ 90h ;(P1.0) motor equivale a 90h

CH_INI equ 94h ;(P1.4) ch_ini equivale a 94h

CH_FIM equ 95h ;(P1.5) ch_fim equivale a 95h

PINCA equ 93h ;(P1.3) pinça equivale a 93h

ROTACAO equ 91h ;(P1.1) rotação equivale a 91h

PASSO equ 92h ;(P1.2) passo equivale a 92h

INICIO:

CLR MOTOR ;motor inicialmente desligado

CLR ROTACAO ;seleção do sentido de rotação

CLR PASSO ;bit de saída inicialmente em nível baixo

CLR PINCA ;pinça incialmente aberta

MOV TMOD,#01h ;temporizador 0 no modo de 16 bits

MOV TCON,#00h ;temporizador interno, inicialmente desligado (TR0=0)

;e interrupção externa aceita em nível baixo (IT0=0)

MOV IE,#81h ;habilita a interrupção externa, porta P3.2 (EA=1) e (EX0=1)

;como apenas uma interrupção é utilizada, não é necessário

; Programa para controle do dispositivo de alimentação.

;--------------------------------------------------------------------------

; Nome: Pedro Luiz Bais Gutierrez

;

; RA: 004200200242

;

;

; Utiliza subrotina MONITOR como fim do programa

;--------------------------------------------------------------------------

;--------------------------------------------------------------------------

;

; INICIO DO PROGRAMA PRINCIPAL

;

;--------------------------------------------------------------------------

DEFSEG MAIN,START=5000H,CLASS=CODE

SEG MAIN

97

;definir prioridade alta ou baixa (registro IP)

COMECO:

LCALL CLR_DSP ;limpa display


LCALL MENS


LCALL DSP_COM

JNB CH_INI,$ ;chave setada = inicia programa

COMECO2:


SETB MOTOR ;motor habilitado


LCALL PULSO ;geração dos pulsos


CLR MOTOR ;motor desabilitado

CLR PINCA ;pinça aberta

LCALL ATR_1S ;tempo para que o blank caia no centro do estampo

SETB ROTACAO ;muda sentido de rotação do motor


SETB MOTOR ;habilita motor


LCALL PULSO ;geração dos pulsos



LCALL ATR_1S ;tempo para conformação do blank

CLR MOTOR ;desabilita motor


CLR ROTACAO ;muda sentido de rotação do motor

JNB CH_FIM,COMECO2 ;chave setada = finaliza programa

FIM:


LCALL MENS


LCALL DSP_COM

FIM2:

CLR MOTOR ;condições iniciais de trabalho

CLR ROTACAO

CLR PASSO

CLR PINCA

LCALL MONITOR

;--------------------------------------------------------------------------

;


98

ATR_5US:

MOV TH0,#0FFh ;começo da contagem (FFFA=65530)

MOV TL0,#0FAh ;e após 5 pulsos dá um overflow

SETB TR0 ;liga temporizador

JNB TF0,$ ;enquanto TF0=0 fica nesta instrução

CLR TF0 ;reseta flag de overflow

CLR TR0 ;desliga o temporizador

RET

ATR_1_2MS:

MOV TH0,#0FBh ;começo da contagem (FB4F=64335)

MOV TL0,#4Fh ;e após 1200 pulsos dá um overflow

SETB TR0 ;liga temporizador

JNB TF0,$ ;enquanto TF0=0 fica nesta instrução

CLR TF0 ;reseta flag de overflow

CLR TR0 ;desliga o temporizador

RET

ATR_5MS:

MOV TH0,#0ECh

MOV TL0,#77h

SETB TR0

JNB TF0,$

CLR TF0

CLR TR0

RET

ATR_10MS:

MOV TH0,#0D8h

MOV TL0,#0EFh

SETB TR0

JNB TF0,$

CLR TF0

CLR TR0

RET

ATR_20MS:

MOV TH0,#0B1h

MOV TL0,#0DFh

SETB TR0

JNB TF0,$

CLR TF0

;


;

;--------------------------------------------------------------------------

99

RET

ATR_30MS:

MOV TH0,#8Ah

MOV TL0,#0CFh

SETB TR0

JNB TF0,$

CLR TF0

CLR TR0

RET

ATR_40MS:

MOV TH0,#63h

MOV TL0,#0BFh

SETB TR0

JNB TF0,$

CLR TF0

CLR TR0

RET

ATR_1S:

PUSH 00h

MOV R0,#0Fh ;0Fh=15 em decimal

VOLTA: MOV TH0,#00h

MOV TL0,#00h

SETB TR0

JNB TF0,$

CLR TF0

CLR TR0

DJNZ R0,VOLTA ;decrementa o R0, e desvia se for diferente de zero

POP 00h

RET

PULSO:

MOV A,#00h

ACELER1:

INC A

SETB PASSO ;bit de saída em nível alto

LCALL ATR_40MS ;atraso de 40 mili seg

CLR PASSO ;bit de saída em nível baixo

LCALL ATR_40MS ;atraso de 40 mili seg

CJNE A,#1,ACELER1 ;número de pulsos

MOV A,#00h

ACELER2:

INC A

SETB PASSO

100

MOV A,#00h

ACELER2:

INC A

SETB PASSO

LCALL ATR_30MS

CLR PASSO

LCALL ATR_30MS

CJNE A,#2,ACELER2

MOV A,#00h

ACELER3:

INC A

SETB PASSO

LCALL ATR_20MS

CLR PASSO

LCALL ATR_20MS

CJNE A,#3,ACELER3

MOV A,#00h

ACELER4:

INC A

SETB PASSO

LCALL ATR_10MS

CLR PASSO

LCALL ATR_10MS

CJNE A,#4,ACELER4

MOV A,#00h

ACELER5:

INC A

SETB PASSO

LCALL ATR_5MS

CLR PASSO

LCALL ATR_5MS

CJNE A,#5,ACELER5

MOV A,#00h

AV_RET:

INC A

SETB PASSO

LCALL ATR_1_2MS

CLR PASSO

LCALL ATR_1_2MS

CJNE A,#32,AV_RET

MOV A,#00h

101

MOV A,#00h

DESAC1:

INC A

SETB PASSO

LCALL ATR_5MS

CLR PASSO

LCALL ATR_5MS

CJNE A,#5,DESAC1

MOV A,#00h

DESAC2:

INC A

SETB PASSO

LCALL ATR_10MS

CLR PASSO

LCALL ATR_10MS

CJNE A,#4,DESAC2

MOV A,#00h

DESAC3:

INC A

SETB PASSO

LCALL ATR_20MS

CLR PASSO

LCALL ATR_20MS

CJNE A,#3,DESAC3

MOV A,#00h

DESAC4:

INC A

SETB PASSO

LCALL ATR_30MS

CLR PASSO

LCALL ATR_30MS

CJNE A,#2,DESAC4

MOV A,#00h

DESAC5:

INC A

SETB PASSO

LCALL ATR_40MS

CLR PASSO

LCALL ATR_40MS

CJNE A,#1,DESAC5

RET

102

RET

EMERG:

LCALL CLR_DSP


LCALL MENS


LCALL DSP_COM

LJMP FIM2 ;vai para o final do programa

RETI

MEN1:

DB 3,31

RET

MEN2:

DB 3,32

RET

MEN3:

DB 3,33

RET

END INICIO

103

Referências Bibliográficas

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DATAPOOL ELETRÔNICA LTDA. Módulo SDM 9431: Manual de experiências. Minas Gerais, [19--].

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MAGAROLA, D. Carlos Saenz de. Tecnología de los Oficios Metalúrgicos. Barcelona: Editorial Reverté, S. A., 1987.

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TORRES, Gabriel. Hardware Curso Completo. 3. ed. Rio de Janeiro: Axcel Books do Brasil Editora, 1999.

Documents

Curso de Engenharia Mecânica PROJETO VISANDO A …lyceumonline.usf.edu.br/salavirtual/documentos/1757.pdf · PPRPS Programa de Prevenção de Riscos em Prensas e Similares PROM/OTP