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Engenharia Mecânica Automação e Sistemas
ALIMENTADOR AUTOMÁTICO PARA ENCARTUCHADORA DE PRODUTOS FARMACÊUTICOS
Vinícius Campos Baldon
Itatiba – São Paulo – Brasil Dezembro de 2009
ii
Engenharia Mecânica Automação e Sistemas
ALIMENTADOR AUTOMÁTICO PARA ENCARTUCHADORA DE PRODUTOS FARMACÊUTICOS
Vinícius Campos Baldon
Monografia apresentada à disciplina Trabalho de Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia Mecânica Automação e Sistemas da Universidade São Francisco, sob a orientação do Professor Ms. Paulo E. Silveira, como exigência parcial para conclusão do curso de graduação. Orientador: Prof. Ms. Paulo E. Silveira
Itatiba – São Paulo – Brasil Dezembro de 2009
iii
Alimentador Automático para Encartuchadora de Produtos Farmacêuticos
Vinícius Campos Baldon Monografia defendida e aprovada em 09 de dezembro de 2009 pela Banca Examinadora assim constituída: Prof. Ms. Paulo Eduardo Silveira (Orientador)
USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP. Prof. Dr. Fernando César Gentile
USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP. Engº. Michel de Almeida Lopes (Membro Externo)
iv
Para Ariana e William.
v
Agradecimentos
Agradeço primeiramente ao Criador pela oportunidade de participar de tudo isso
e por ter superado as inúmeras dificuldades para chegar até aqui.
Agradeço ao Professor Paulo Silveira, meu orientador, pela confiança
depositada, pelo incentivo e orientações que possibilitaram este trabalho.
Agradeço ao Professor Eduardo Balster Martins pelas orientações dadas para a
elaboração deste trabalho.
Agradeço à minha família pelo apoio e compreensão nos momentos em que
precisei abrir mão da convivência face aos numerosos compromissos.
Agradeço especialmente ao meu filho William, que acompanhou todo o meu
trabalho, pelos vários momentos em solicitou minha companhia e que, ante minha
escusa, apenas me retribuía com seu sorriso amável e compreensivo.
Agradeço também às pessoas especiais listadas abaixo, em ordem alfabética,
pois todas foram importantes em algum momento de minha vida pessoal ou profissional
e, de alguma forma, contribuíram para que eu chegasse até aqui:
Carlos Alberto Ferreira Machado
Dª. Jandira
João Paulo Galiego Bôscolo
Luiz Antonio da Rocha
Maria Aparecida de Oliveira Campos
Maria Lúcia Campos Baldon
Paulo Catini
Agradeço fraternalmente a todos.
vi
Sumário
1 Introdução............................................................................................................. 1 1.1 Objetivo ............................................................................................................ 2 1.2 Justificativa....................................................................................................... 3 2 Revisão Bibliográfica ........................................................................................... 4 2.1 Descrição do processo de Embalagem em Cartuchos de Papel........................ 4 2.2 Controladores Lógicos Programáveis (PLC’s)................................................. 6
2.2.1 Princípio de funcionamento e arquitetura de um PLC ............................. 7 2.2.2 Programa executivo e linguagens de programação .................................. 8
2.3 Motores Elétricos.............................................................................................. 9 2.3.1 Motores de passo ...................................................................................... 9
2.4 Sensores .......................................................................................................... 11 2.4.1 Visão geral:............................................................................................. 11 2.4.2 Tipos de Sensores: .................................................................................. 13
2.5 Inversores de Frequência ................................................................................ 15 2.5.1 Princípio de funcionamento:................................................................... 15
3 METODOLOGIA E DESENVOLVIMENTO................................................... 17 3.1 Abordagem do problema ............................................................................ 17 3.2 Concepção da máquina............................................................................... 19 3.2.1 Coleta de dados para o projeto ............................................................... 19 3.3 Estudo dos movimentos.............................................................................. 21 3.4 Especificação dos componentes mecânicos ............................................... 21 3.4.1 Silo.......................................................................................................... 21 3.4.2 Esteira elevatória .................................................................................... 22 3.4.3 Calha de Lançamento ............................................................................. 30 3.5 Especificação dos componentes elétricos................................................... 32 3.5.1 Inversor de frequência ............................................................................ 32 3.5.2 PLC......................................................................................................... 32 3.5.3 Sensores .................................................................................................. 35 3.5.4 Motor de passo ....................................................................................... 36 3.5.5 Componentes Elétricos Gerais ............................................................... 38 3.6 Funcionamento do Sistema e Fluxograma ................................................. 39 3.6.1 Descritivo do funcionamento: ................................................................ 39 3.6.2 Fluxograma do Programa do PLC.......................................................... 40
4 RESULTADOS .................................................................................................. 42 4.1 Desenhos mecânicos................................................................................... 42 4.2 Desenho Tridimensional............................................................................. 53 4.3 Diagrama elétrico ....................................................................................... 54 4.4 Programa do PLC ....................................................................................... 64 4.5 Lista de Materiais ....................................................................................... 65
5 CONCLUSÃO.................................................................................................... 67 5.1 Contribuições.............................................................................................. 67 5.2 Extensões .................................................................................................... 67
vii
Resumo
Esta monografia apresenta o projeto de um alimentador automático para
aplicadores de produto farmacêutico. Este alimentador foi projetado para ser acoplado a
uma máquina encartuchadora, na qual produtos são embalados junto com aplicadores
em caixas de papel. O objetivo deste trabalho foi conceber um equipamento capaz de
automatizar o processo de alimentação dos aplicadores que são inseridos manualmente
na máquina encartuchadora. Os problemas e as necessidades de melhoria relacionadas
ao processo manual foram identificados e os benefícios do alimentador e as soluções
propostas foram desenvolvidas, originando um projeto que reuniu conhecimentos da
engenharia de automação e cujos resultados foram: o projeto mecânico do alimentador,
desenhos mecânicos, especificação de componentes mecânicos e elétricos e o
desenvolvimento do software de controle.
PALAVRAS-CHAVE: automação, máquinas de embalagem, indústria
farmacêutica
1
1 INTRODUÇÃO
Do artesanato mais rudimentar às primeiras máquinas, dos primeiros teares aos robôs
atuais, a humanidade tem percorrido um longo caminho rumo ao aperfeiçoamento contínuo
dos processos de manufatura.
Com o avanço tecnológico das máquinas e de sua capacidade de produção,
manifestou-se cada vez mais a necessidade de alimentá-las com matérias-primas ou produtos
semi-acabados de maneira mais eficiente que a alimentação manual. Tempo e mão-de-obra
podem ser poupados da tarefa “secundária”, que é a alimentação, e serem aproveitados na
atividade essencial.
Quando se aborda o assunto de automação de um processo manual, inevitavelmente se
depara com a questão da eliminação do posto de trabalho ocupado por uma pessoa. Sob um
olhar mais criterioso é possível ir além desse aspecto e verificar que o objetivo essencial da
indústria é a produção em grande escala e que o aumento da produtividade pode promover a
criação de novas vagas em atividades mais qualificadas e melhor remuneradas.
No cenário atual, se por um lado existem máquinas e até mesmo linhas de produção
concebidas para serem completamente automatizadas, por outro lado há também máquinas e
equipamentos com projeto “generalista”, ou seja, fabricadas para uma finalidade geral, mas
que podem ser adequadas às condições específicas de um processo. Nesse aspecto se
enquadra, por exemplo, uma linha de produção na qual se investiu em equipamentos para
atender a uma necessidade atual, mas há ainda a possibilidade da gama de produtos fabricados
sofrer alguma alteração por qualquer motivo, por exemplo: aumento de vendas, lançamento
de novo produto, mudança no tamanho/volume do produto, inclusão de algum acessório, etc.
Tal situação se manifesta frequentemente na indústria. Um equipamento ou processo
passa a demandar alimentação automática em razão de alguma alteração e/ou melhoria do
processo, não somente tendo em vista o aumento da produtividade, mas também visando a
eliminação ou redução do risco ergonômico, doença ocupacional, contato manual com o
produto, risco de contaminação, risco de acidente, etc. Isso representa oportunidades e
desafios para os profissionais das diversas áreas da engenharia, que aplicam seus
conhecimentos não somente na inovação, mas também no aperfeiçoamento das tecnologias
existentes.
2
Alguns produtos farmacêuticos na forma de cremes e pomadas são embalados em
bisnagas. Em alguns casos, tais produtos também são fornecidos com aplicadores (utensílios
de plástico semelhantes a seringas). A bisnaga e os aplicadores são acondicionados em uma
caixa de papel-cartão denominada cartucho, juntamente com a bula.
No caso em estudo, as bisnagas e aplicadores são inseridos automaticamente nos
cartuchos por meio de uma máquina encartuchadora horizontal, porém, antes de entrar nos
cartuchos, os aplicadores são alimentados manualmente sobre a esteira de entrada da
encartuchadora. Essa alimentação manual é um fator limitante para a velocidade da máquina,
que fica em torno de 60 unidades por minuto quando é utilizado um funcionário dedicado à
alimentação. Para velocidades maiores são necessários dois funcionários dedicados à
alimentação, ainda assim a velocidade máxima que se atinge é de 90 unidades por minuto e
são freqüentes as falhas de alimentação: produtos são encartuchados sem aplicador e
posteriormente rejeitados na balança de verificação de peso, o que significa perdas de
processo. Também há risco ergonômico, pois os operários encarregados da alimentação têm
que pegar os aplicadores numa caixa ao lado da esteira da máquina e colocá-los rapidamente
na esteira realizando um movimento de giro do tronco. Esse movimento repetitivo não é
recomendado pelos profissionais de saúde e existe a necessidade de revezamento dos
operários da linha nessa função.
1.1 Objetivo
O objetivo deste trabalho é projetar um alimentador automático de aplicadores de
produto farmacêutico que seja capaz de alimentar a máquina a uma velocidade nominal de 90
unidades por minuto, o que representa um aumento de 50 % sobre a capacidade atual, sem
utilizar um operador dedicado para tal função. O mesmo operador da máquina encartuchadora
deverá ser aproveitado para abastecer o alimentador com aplicadores sem sobrecarga de
trabalho.
3
1.2 Justificativa
As deficiências do processo de alimentação manual abordadas na introdução deste
trabalho evidenciam as necessidades e oportunidades para melhoria.
O alimentador automático desenvolvido neste trabalho tem por objetivo proporcionar
os seguintes benefícios:
Aumento da capacidade produtiva do equipamento,
Redução do índice de falhas e melhoria da qualidade,
Redução do custo com mão-de-obra,
Redução de perdas de material de embalagem,
Redução do risco ergonômico e de acidentes de trabalho.
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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo, será apresentada uma descrição do processo de embalagem do produto
farmacêutico e também serão abordados os principais elementos necessários à concepção do
projeto, bem como suas principais características, aplicações e seu atual estado de
desenvolvimento.
Para o desenvolvimento do trabalho, procurou-se por soluções que empregassem
componentes amplamente utilizados na engenharia mecatrônica, tais como: controlador lógico
programável, motores elétricos, motorredutores, motores de passo e sensores, assim como
também os componentes mecânicos necessários, como eixos, mancais, rolamentos, correias,
esteiras, etc.
Finalmente, para operar e controlar todos esses componentes e integrá-los ao
funcionamento da máquina, um sistema de comando com uma lógica de controle deve ser
projetado e implementado para alcançar os objetivos do projeto.
2.1 Descrição do processo de Embalagem em Cartuchos de Papel
As embalagens, de uma maneira geral, têm acompanhado a evolução tecnológica e as
necessidades de produção. Produtos que antigamente eram vendidos “a granel” ou em frascos
de vidro tiveram de ser adequados à realidade da produção em maior escala e às consequentes
necessidades de logística tais como: como armazenamento, distribuição, fracionamento, bem
como o alcance geográfico cada vez maior.
Alguns produtos cujas características assim permitem, passaram a ser comercializados
em caixas de papel cartão (cartuchos) como os exibidos na Figura 2-1.
No início, esse processo era totalmente manual, demandando tempo e mão-de-obra
consideráveis para obter uma produção relativamente baixa.
5
Figura 2-1: Cartuchos de emplastros Johnson & Johnson do séc. XIX [1]
Os cartuchos tinham de ser montados manualmente, em seguida o produto era
introduzido e finalmente as abas eram encaixadas e/ou coladas. Atualmente existem máquinas
que executam todas essas operações.
Tais máquinas são chamadas de encartuchadoras (cartoning machines, em inglês) e
podem ser classificadas quanto ao tipo de movimento: intermitente ou contínuo; quanto ao
tipo de operação: semi-automática ou automática e quanto à posição do cartucho: vertical ou
horizontal.
O funcionamento básico de uma encartuchadora pode ser resumido como segue:
A máquina é alimentada com cartuchos de papel cartão que são fornecidos por
indústrias gráficas. Esses cartuchos já vêm pré-montados, porém ainda não têm o formato
tridimensional de caixas, são fechados de forma que fiquem planos e dispostos em maços e
assim são empilhados em um suporte apropriado na máquina.
Os produtos a ser encartuchados entram na máquina pela esteira transportadora, onde
são acomodados sequencialmente em espaços individuais existentes na esteira. Um sensor
detecta que há produtos em movimento na esteira e, para cada produto, deflagra a armação de
um cartucho.
A armação do cartucho é executada por um sistema mecânico de braço intermitente ou
rotativo que possui ventosas de sucção que pegam o cartucho que estava empilhado (o
primeiro debaixo da pilha) e o força a passar por guias mecânicas e outras ventosas de sucção
que fazem o cartucho “abrir” assumindo a forma de caixa.
Os produtos são então introduzidos nos cartuchos armados, sendo que essa introdução
pode ser feita manualmente (no caso das encartuchadoras semi-automáticas verticais) ou
automaticamente por empurradores mecânicos (no caso das encartuchadoras automáticas
horizontais).
6
Finalmente, os cartuchos passam automaticamente por um sistema de guias que
fecham as abas superiores e inferiores, onde também podem receber um fechamento por jato
de cola quente nas abas, concluindo o processo de encartuchamento.
Atualmente existem máquinas encartuchadoras totalmente automáticas que podem
atingir altas velocidades. A Figura 2-2 mostra uma máquina encartuchadora horizontal com
capacidade de produção de 500 cartuchos por minuto:
Figura 2-2: Encartuchadora Uhlmann C2504 de 500 cartuchos/minuto. [2]
2.2 Controladores Lógicos Programáveis (PLC’s)
Os controladores lógicos programáveis (ou PLC’s: Programmable Logic Controllers)
podem ser definidos como dispositivos eletrônicos programáveis capazes de armazenar e
processar instruções específicas, tais como: lógica, lógica seqüencial, temporização,
contagem, funções aritméticas e funções de comunicação, empregadas no controle de
máquinas e processos [3].
Os PLC’s surgiram da necessidade de substituir os antigos controles a relés
eletromecânicos. Os dispositivos eletromecânicos eram os recursos mais utilizados para
efetuar controles lógicos e intertravamentos em máquinas.
7
Apesar de funcionais, o aumento da complexidade das máquinas e processos passou a
demandar um número cada vez maior desses elementos, todos interconectados por fiação. As
dimensões dos componentes eram consideráveis, exigindo grandes painéis que deveriam
protegê-los contra umidade, altas temperaturas, gases, poeira, etc. Quando um desses
elementos falhava, o processo produtivo podia ficar paralisado por várias horas ou até mesmo
dias, para identificar o componente em falha e executar o reparo [4].
O desenvolvimento da tecnologia de estado sólido (transistores) nas décadas de
1950/60 e a integração de componentes eletrônicos em larga escala possibilitaram a criação de
controles integrados baseados em computação digital, sendo que a primeira experiência com
um controle de lógica programável por software foi realizada em 1968 na General Motors [4].
2.2.1 Princípio de funcionamento e arquitetura de um PLC
Um PLC é basicamente composto de uma CPU (Unidade Central de Processamento) e
interfaces para os sinais de entrada e saída. A arquitetura da CPU é semelhante à de um
computador digital, composta de processador, memórias e barramentos de comunicação,
conforme mostrado no diagrama de blocos da Figura 2-3:
Figura 2-3: Diagrama de blocos básico de um PLC
O princípio de funcionamento de um PLC é a execução cíclica de um programa
(conjunto estruturado de instruções) que realiza a “leitura” do estado das entradas, executa as
operações programadas e atualiza o estado das saídas.
As entradas e saídas podem ser digitais ou analógicas. As digitais (ou discretas) podem
apresentar somente dois estados lógicos: ligado ou desligado, 0 ou 1. Atualmente, é
8
mundialmente difundido o uso de tensões de 0 a 24 VCC para as entradas e saídas digitais de
um PLC, sendo 0 V o nível lógico baixo ou “0” e 24 V o nível lógico alto ou “1”.
As entradas e saídas analógicas (ou contínuas) são empregadas para operar com sinais
continuamente variáveis como por exemplo: temperatura, pressão, etc. Estes sinais servem
para que o PLC receba e envie informações de variáveis do processo e podem operar com
tensão ou corrente. Geralmente a faixa de tensão é de 0 a 10 VCC e a faixa de corrente pode
ser de 4 a 20 mA (ou 0 a 20 mA), onde: 4 mA (ou 0 V) corresponde ao início da escala da
grandeza analógica e 20 mA (ou 10 V) corresponde ao final da escala.
É por meio das entradas e saídas, também conhecidas por “I/O’s” (do inglês: Input /
Output) que o PLC interage com o equipamento ou processo que está controlando. Entradas
podem ser acionadas por sensores, chaves, botões, chaves fim-de-curso, contatos, chaves de
nível, etc. Saídas podem acionar os seguintes dispositivos: relés, solenóides, válvulas,
alarmes, lâmpadas, partida de motores, etc. As entradas e saídas podem ser fisicamente
constituídas por relés ou transistores que recebem/enviam sinais entre a CPU e o processo
controlado (também chamado de sinais de campo).
Por exemplo: um processo industrial que requer aquecimento pode ser controlado por
um PLC que recebe (pela entrada analógica) um sinal analógico de 4 a 20 mA de um
transmissor de temperatura. De acordo com o programa gravado em sua memória, o PLC
compara o valor recebido do processo com o valor programado e pode atuar, por exemplo,
uma válvula proporcional que dosa mais ou menos combustível ao processo, através de saídas
analógicas.
Os sinais de campo são isolados galvanicamente do microprocessador por circuitos
optoacopladores que convertem os níveis de tensão/potência de campo para os níveis digitais
adequados ao processador. Os sinais analógicos são convertidos em sinais digitais e vice-
versa por meio de conversores analógico/digital e digital/analógico: A/D e D/A.
2.2.2 Programa executivo e linguagens de programação
O programa executivo (desenvolvido pelo programador de acordo com as
necessidades do processo) é o responsável pelo controle das variáveis. Basicamente, um
programa de PLC é um conjunto de instruções lógicas booleanas. As linguagens de
programação foram desenvolvidas tendo em vista o conceito de familiaridade com a lógica de
controle a relés já utilizadas por técnicos e engenheiros, sendo a mais amplamente utilizada a
9
linguagem de diagrama de contatos, também conhecida como linguagem ladder. Como nem
todos os recursos de programação podem ser implementados por diagrama de contatos, foram
criadas outras linguagens de programação: diagrama de blocos funcionais, mnemônicos
booleanos e parâmetros idiomáticos.
A norma IEC 1131-3 fornece algumas diretrizes para padronização das linguagens de
programação de PLC’s. As linguagens podem ser divididas em duas categorias: linguagens
gráficas e textuais.
As linguagens gráficas são:
Sequential Function Chart (SFC): descreve graficamente o comportamento sequencial
de um programa de controle. É derivado de redes de Petri e do Grafcet IEC 848.
Diagrama Ladder (Ladder Diagram – LD): Lógica de contatos semelhante aos
diagramas elétricos.
Blocos de Função (Function Block Diagram – FBD).
As linguagens textuais são:
Lista de Instruções (Instruction List – IL).
Texto Estruturado (Structured Text – ST).
A Figura 2-4 mostra exemplos de um fragmento de programa escrito em 4 linguagens
de programação [5]:
Figura 2-4: Exemplos de linguagens de programação
2.3 Motores Elétricos
2.3.1 Motores de passo
O motor de passo é um dispositivo eletromagnético que converte pulsos digitais em
rotação do eixo mecânico. As vantagens que os motores de passo apresentam são: baixo
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custo, alta confiabilidade, alto torque em baixas velocidades e uma construção simples e
robusta que funciona em praticamente qualquer ambiente. As principais desvantagens na
utilização de um motor de passo são os efeitos de ressonância a baixas velocidades e redução
do torque com o aumento da velocidade. Ele não tem escovas ou contatos. Basicamente, é um
motor síncrono com o campo magnético comutado eletronicamente para rodar em torno da
armadura.
Existem basicamente três tipos de motor de passo: relutância variável, magneto
permanente e híbridos. O princípio de funcionamento do motor de passo é a comutação
(chaveamento) sequencial das bobinas dos pólos. Quando um par de pólos recebe corrente
elétrica DC, o campo magnético formado força o alinhamento do rotor, que se move um passo
e assim por diante, conforme a sequência de pulsos [6]. A Figura 2-5 representa um motor de
passo de relutância variável e 3 fases:
Figura 2-5: Motor de passo de relutância variável e sua sequência de comutação [6]
Um sistema de motor de passo é composto basicamente de: controlador (ou
indexador), driver e motor de passo. Também é comum a presença de algum tipo de interface
como por exemplo: um PC, um PLC ou um terminal de operação.
11
O controlador microprocessado é o responsável pela geração dos pulsos de controle,
bem como de sinais de direção e de funções de comando. O driver é o dispositivo que
amplifica os sinais dos pulsos recebidos do controlador e os converte em corrente elétrica que
excitará as bobinas dos pólos do motor.
Motores de passo são classificados em termos do número de passos por segundo, do
ângulo de passo (ou resolução) e da capacidade de carga e torque.
O número de passos por segundo é também conhecido como taxa de passo. A
velocidade real de um motor de passo é dependente do ângulo de passo e da taxa de passo, e é
encontrada por:
Equação 2-1
Onde:
N= velocidade do motor em RPM
Ψ= ângulo de passo em graus
p/s= número de passos por segundo
2.4 Sensores
2.4.1 Visão geral:
Na automação de sistemas, é preciso determinar as condições ou variáveis do sistema,
isto é, obter os valores das variáveis físicas a serem controladas, como por exemplo: a posição
de um mecanismo, a temperatura de um processo, a velocidade de rotação de um motor, etc.
A obtenção desses valores é realizada por sensores [7] .
Um sensor é geralmente definido como um dispositivo que recebe e responde a um
estímulo ou um sinal. Há sensores naturais (biológicos, como um olho por exemplo) e
artificiais. Os sensores artificiais são aqueles que respondem com sinal elétrico a um estímulo
ou um sinal. Um transdutor, por sua vez, é um dispositivo que converte um tipo de energia em
outra, não necessariamente em um sinal elétrico. Muitas vezes um sensor é composto de um
transdutor e de uma parte que converte a energia resultante em um sinal elétrico. Podem ser
de indicação direta (como um termômetro de mercúrio ou um medidor elétrico) ou em par
com um indicador (algumas vezes indiretamente com um conversor de analógico para digital,
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um computador e um display) de modo que o valor detectado se torne legível pelo homem.
Além de outras aplicações, os sensores são largamente usados na medicina, indústria e
robótica.
Como o sinal é uma forma de energia, os sensores podem ser classificados de acordo
com o tipo de energia que detectam. Por exemplo: sensores de luz: células solares, fotodiodos,
fototransistores; sensores de som: microfones, hidrofone, sensores sísmicos; sensores de
temperatura: termômetros, termopares, resistores sensíveis a temperatura (termístores),
termômetros bi-metálicos e termostatos [8] . A Figura 2-6 ilustra um diagrama das formas de
energias em sensores:
Figura 2-6: Formas de energia em sensores [7]
A saída (resposta) de um sensor apresenta geralmente um nível de tensão muito baixo
sendo necessária a utilização de um amplificador para elevar o nível do sinal para sua efetiva
utilização.
Além, é claro, do tipo de energia a ser detectada/medida e da função desejada,
algumas das principais características a serem consideradas na seleção de sensores para cada
aplicação são:
Tipo de saída:
Digital: A saída assume valores lógicos “0” ou “1” (também chamados de on-off, liga-
desliga. Ex.: pressostatos, chaves de nível.
Analógica: O transdutor possui uma saída de sinal contínuo, semelhante à grandeza
física medida na entrada. Ex.: células de carga, transdutor de pressão analógico.
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Sensibilidade:
Sensibilidade (ou ganho) é a relação entre a amplitude do sinal de saída e o da entrada.
Por exemplo, à uma dada variação na entrada, corresponderá uma certa variação no sinal de
saída. Se a sensibilidade for alta, uma pequena variação na entrada corresponderá a uma
grande variação na saída.
Exatidão:
É a característica de quão próximas são as medições fornecidas por um instrumento do
valor verdadeiro da grandeza medida. Também pode ser expressa pelo erro da medida
realizada pelo instrumento em comparação a uma medida padrão.
Precisão:
Grau de repetibilidade do valor medido em várias medições sob as mesmas condições.
Alcance:
Faixa de valores que podem ser aplicados à entrada do instrumento.
Velocidade de resposta:
Tempo necessário para que a medição alcance o valor real do processo. Respostas
lentas podem ser críticas para a performance de sistemas realimentados.
Muitas outras características também devem ser consideradas na especificação, dentre
as quais pode-se citar: encapsulamento, dimensões, distância sensora, custo, requisitos de
calibração, faixa de trabalho, vida útil, etc.
2.4.2 Tipos de Sensores:
Os sensores podem ser classificados em grandes famílias por função e subclassificados
em uma grande diversidade de tipos. Segue uma relação dessas classificações com a listagem
dos principais tipos, sem no entanto, pormenores sobre princípios de funcionamento e
construção de cada tipo:
Sensores de presença: detectam a presença de qualquer material sem que haja contato
mecânico, podendo ser ópticos ou ultrassônicos. Principais tipos: sensor óptico por
retrorreflexão, por transmissão (ou barreira), por reflexão difusa e sensores infravermelho e
fibra óptica.
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Os ultrassônicos operam por ondas sonoras em alta frequência geradas por cristais
piezoelétricos que são emitidas e refletidas pelo objeto a ser detectado.
Sensores de posição: sensores de proximidade indutivos, capacitivos, sensores
magnéticos e codificadores (encoders).
Sensores Ópticos: fotorresistores LDR (Light Dependant Resistor), fotodiodos,
fototransistores, fototiristores, célula fotovoltaica, etc.
Sensores de velocidade: taco-gerador, tacômetro, acoplador óptico, etc.
Sensores de aceleração: acelerômetros de deslocamento, de deformação e de balanço
de força.
Sensores de temperatura: Termistores: PTC (Positive Temperature Coefficient),
NTC (Negative Temperature Coefficient), termopares, termorresistências (RTD’s),
pirômetros, etc.
Sensores de pressão: células de carga (strain gauges), transdutor de pressão
piezoelétrico, tubos de Bourdon, etc.
Sensores de nível: flutuadores, eletrodos metálicos, etc.
Sensores de vazão: rotâmetros, placa de orifício, tubo de Venturi, bocal, tubo de Pitot,
por efeito Coriolis, etc.
Sensores de tensão, corrente e potência: resistor shunt, efeito Hall, transformador
CC, relés térmicos, etc.
Sensores de umidade, gases e pH: higrômetros, analisadores de gases, medidores de
pH. [7]
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2.5 Inversores de Frequência
“Inversor de Frequência” é a designação comercial comum para Conversores Estáticos
de Frequência. São dispositivos desenvolvidos para controlar a velocidade de rotação de
motores elétricos de corrente alternada.
A rotação de um motor CA depende da frequência da rede de alimentação e do
número de pólos do motor, conforme a fórmula:
Equação 2-2
Onde:
N = rotação em RPM
f = frequência da rede em Hz
p = número de pólos do motor
Assumindo que o número de pólos de um motor CA seja fixo (de maneira geral é,
exceto em motores com múltiplos enrolamentos) e esse número de pólos é determinado em
sua fabricação, então, ao se variar a frequência de alimentação, a rotação varia na mesma
proporção.
O inversor de frequência, grosso modo, pode ser considerado como uma fonte de
tensão alternada de frequência variável.
2.5.1 Princípio de funcionamento:
A primeira etapa dos circuitos internos de um inversor de frequência é uma ponte
retificadora de onda completa trifásica e capacitores de filtro. Tal circuito constitui uma fonte
de corrente contínua (CC) simétrica, pois há um ponto terra como referência.
Isso forma o que se chama de “Barramento DC” onde existe uma tensão contínua
positiva + V/2 e uma tensão contínua negativa –V/2.
O barramento DC alimenta a segunda etapa, constituída de seis transistores IGBT
(Insulated Gate Bipolar Transistor: Transistor Bipolar de Base Isolada). Esses IGBTs atuam
como chaves, ligando e desligando sequencialmente, controlados por meio de uma lógica de
controle (3º etapa).
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O chaveamento sequencial dos IGBTs alternando entre a tensão positiva e negativa do
barramento DC produz uma inversão do sentido da corrente (daí o termo “inversor”) gerando
uma corrente alternada cuja frequência pode ser variada pela lógica de controle.
A lógica de controle distribui os pulsos de disparo para os IGBTs, produzindo uma
tensão de saída alternada e defasada de 120°, embora sua forma de onda seja quadrada devido
à característica do chaveamento e não senoidal como a da rede elétrica convencional.
Não somente a frequência é variada. Para manter o conjugado (torque) do motor frente
às diversas solicitações de carga, o inversor também precisa variar a tensão de saída. Essa
variação de tensão é proporcional à variação da frequência e a relação é chamada de razão
V/F ou curva V/F (Tensão / Frequência). A amplitude da tensão é controlada por meio de
modulação por largura de pulso - PWM (Pulse Width Modulation).
Para variar a tensão, a unidade lógica altera a largura dos pulsos entre os estados
lógicos alto e baixo, isto é, controla quanto tempo os IGBTs devem ficar ligados ou
desligados, ou seja: controla o ciclo de carga (duty cicle).
Para executar tais controles, os inversores dispõem de uma CPU (Unidade Central de
Processamento) constituída por um microprocessador e memória integrada. Na memória são
armazenados todos os parâmetros que a CPU utiliza para controlar o equipamento, tanto
parâmetros de fábrica, quanto os parâmetros variáveis que podem ser alterados pelo usuário
dependendo da aplicação.
Como exemplos de parâmetros variáveis que podem ser programados pelo usuário
estão: rampa de aceleração / desaceleração; frequência de referência; corrente e potência do
motor; modos de controle: local / remoto; tipo de sinal de referência analógica: 0 a 10 V, 4 a
20 mA, entre muitos outros.
Para viabilizar a interação entre homem-máquina, os inversores possuem uma IHM
(Interface Homem Máquina) que é um dispositivo que permite que os parâmetros sejam
inseridos / modificados no inversor através de um teclado e também que os mesmos sejam
exibidos em um mostrador eletrônico (display).
Além da IHM, os inversores também podem ter outras interfaces de comunicação, por
exemplo: porta de comunicação serial (RS 485, RS 232), redes industriais (Profibus, Ethernet,
AS-i, etc.) e entradas / saídas digitais e analógicas [9].
17
3 METODOLOGIA E DESENVOLVIMENTO
Este capítulo descreve os procedimentos que foram adotados para a concepção do
projeto, desde a definição do problema, a obtenção de informações, a seleção e especificação
dos componentes, passando pelos cálculos de verificação e chegando à descrição de
funcionamento do sistema.
3.1 Abordagem do problema
A máquina chamada de encartuchadora (Figura 3-1) executa a função de acondicionar
o produto farmacêutico em um cartucho de papel-cartão conforme mostra a Figura 3-2.
Figura 3-1: Encartuchadora
Figura 3-2: Bisnaga de produto e cartucho
18
Além do próprio produto, em alguns casos, também é fornecido no cartucho um
pacote com os aplicadores mostrados na Figura 3-3 para que o próprio paciente aplique o
produto.
Figura 3-3: Pacote com 10 aplicadores
As bisnagas de produto chegam à encartuchadora por meio de uma esteira
transportadora vinda da máquina anterior, onde o produto é envasado. As bisnagas entram
assim, diretamente na esteira de entrada da encartuchadora, sem contato manual.
Entretanto, os pacotes de aplicadores são colocados manualmente na esteira de entrada
da encartuchadora, como exibido na Figura 3-4:
Figura 3-4: Alimentação manual dos aplicadores
19
A alimentação manual de aplicadores limita a velocidade da máquina, que fica em
torno de 60 unidades por minuto quando é utilizada uma pessoa dedicada a esta tarefa. Para
velocidades maiores são necessárias duas pessoas dedicadas, mesmo assim a velocidade
máxima que se atinge é de 90 unidades por minuto e são freqüentes as falhas de alimentação:
produtos são encartuchados sem aplicador e posteriormente rejeitados na balança de
verificação de peso, o que representa perdas de processo.
Além disso, existe risco ergonômico devido ao movimento de giro de tronco que os
operários encarregados da alimentação têm de executar repetitivamente para pegar os
aplicadores numa caixa ao lado da esteira da máquina e colocá-los rapidamente na esteira.
O projeto do alimentador automático, objetivo deste trabalho, buscou solucionar os
problemas descritos acima, visando alcançar a meta de velocidade de 90 unidades por minuto.
3.2 Concepção da máquina
3.2.1 Coleta de dados para o projeto
Os aplicadores são fornecidos em caixas de papelão contendo 700 pacotes, sendo que
cada pacote contém dez unidades e pesa 6,5 g e uma caixa completa contém 4,550 kg.
A seguir foram definidos os requisitos mínimos para o sistema.
O alimentador automático precisa:
Armazenar os aplicadores,
Elevá-los a uma altura conveniente para entrada na máquina encartuchadora,
Conduzi-los orientados até a esteira de entrada da encartuchadora e,
Liberá-los um a um em sincronismo com a encartuchadora a uma velocidade
de 90 unidades por minuto.
Para satisfazer esses requisitos, o alimentador foi concebido com os seguintes
componentes principais indicados na Figura 3-5: Silo de armazenamento (posição A); esteira
elevatória (posição B); motor da esteira elevatória (posição C); calha de lançamento (posição
D) e motor de passo da saída (posição E).
20
Figura 3-5: Componentes principais do alimentador
A Figura 3-6 mostra a posição do alimentador acoplado à esteira de entrada da
máquina encartuchadora:
Figura 3-6: Alimentador acoplado à encartuchadora
Premissas consideradas para a seleção dos materiais construtivos:
Ambiente de instalação/operação localizado em área climatizada (temperatura de 22 a
25 °C e umidade relativa máxima de 30%).
Processo não sujeito ao contato direto com o produto farmacêutico (respingos,
resíduos, etc.)
21
Objetos a ser alimentados estão secos.
Partes sujeitas ao atrito contínuo com os objetos a ser alimentados: Esteira elevatória,
calha de descida e rolete do motor de passo de saída.
Partes sujeitas a pouco (ou nenhum) atrito contínuo com os objetos a ser alimentados:
Silo, componentes estruturais (suportes) e pés.
Como os pacotes de aplicadores pesam apenas 6,5 gramas, os esforços envolvidos para
movimentá-los são reduzidos, de modo que elementos mecânicos normalizados atendem e até
excedem às solicitações de esforços. Portanto, foram adotados os componentes mecânicos
normalizados mínimos para o projeto.
3.3 Estudo dos movimentos
O movimento da esteira elevatória é produzido pela rotação de um motorredutor. A
velocidade é controlada por meio de inversor de frequência para permitir ajustes.
A descida dos aplicadores pela calha de lançamento se dará por gravidade.
O lançamento dos aplicadores será executado pela rotação de um rolete acionado por
um motor de passo. Este rolete deverá ser radialmente excêntrico em relação ao eixo do motor
de passo para possibilitar um movimento intermitente que lance um pacote de aplicadores por
vez.
Assim, para cada rotação completa do eixo do motor de passo, o rolete excêntrico
arrasta um pacote de aplicador e na sequência permite que outro pacote ocupe o lugar do
pacote lançado devido ao espaço gerado pela excentricidade.
(Especificações do motorredutor, inversor de frequência e do motor de passo serão
abordadas mais adiante nos tópicos relativos a esses componentes).
3.4 Especificação dos componentes mecânicos
3.4.1 Silo
As dimensões do silo foram escolhidas de modo que o mesmo tenha capacidade para
armazenar duas caixas de aplicadores. Considerando que a velocidade de alimentação
22
desejada é de 90 unidades por minuto e uma caixa contém 700 pacotes de aplicadores, o silo
terá uma autonomia teórica de 15 minutos de operação contínua entre reabastecimentos.
O silo foi projetado com as medidas de 600 mm de largura, 835 mm de comprimento e
650 mm de altura, incluindo um espaço adicional de 20% como margem de segurança.
O material construtivo escolhido para o silo foi chapa de aço inoxidável AISI 304,
laminada a frio, acabamento escovado, com espessura de 1,06 mm. A chapa escolhida é mais
que suficiente para suportar a carga de 9,1 kg, correspondente a duas caixas de aplicadores e é
resistente ao atrito contínuo dos objetos em contato.
A estrutura de base do silo foi concebida para ser fabricada com perfis estruturais de
aço baixa liga, com costura, retangulares 30 x 20 mm e/ou quadrados de 30 x 30 mm, com
espessuras entre 1,9 e 2,5 mm, e acabamento com pintura eletrostática a pó.
3.4.2 Esteira elevatória
Para elevar os aplicadores a uma altura superior à da esteira da encartuchadora e
permitir a instalação da calha de lançamento, a esteira elevatória foi projetada para ter um
comprimento de 1900 mm. Sua largura é de 150 mm, o suficiente em função das dimensões
do pacote de aplicador: 70 x 35 mm.
A seguir são enumerados os componentes da esteira elevatória.
3.4.2.1 Estrutura metálica:
Fabricada em perfil “U” de chapa dobrada, em aço carbono baixa liga SAE 1020,
dimensões 80 x 25 x 3 mm.
3.4.2.2 Roletes da esteira elevatória
Usinados em liga de alumínio comercialmente puro ABNT 1060 ou 1100 visando
leveza ao conjunto, revestidos com uma camada externa em borracha de poliuretano com
dureza entre 80 a 90 Shore-A e espessura de 3 a 5 mm para evitar deslizamento da esteira.
Os roletes devem possuir conicidade simétrica de 0,75° a partir do centro em direção a
cada uma das extremidades, para evitar que a esteira escape para os lados durante o
movimento. O rolete movido deve ter seus mancais montados em esticadores para permitir o
ajuste de tensão da esteira. Dimensões dos roletes: comprimento: 150 mm; diâmetro: 80 mm.
23
O diâmetro de 80 mm foi escolhido em função do diâmetro da caixa dos mancais (81
mm) e do diâmetro mínimo de polia requerido pela esteira transportadora (correia plana) que
é de 80 mm. Maiores detalhes podem ser vistos no desenho n° 006MEC no capítulo 4.
3.4.2.3 Mancais de rolamento para sustentação dos roletes
Foram selecionados mancais de rolamento fabricados em chapa de aço estampado,
pois são mancais que aliam simplicidade de projeto, custo relativamente baixo e boa
tolerância ao desalinhamento.
Conforme literatura do fabricante [10], as caixas de rolamento permitem compensar
erros de alinhamento de até 5°. A caixa de rolamento SKF modelo PF-40 vista na Figura 3-7
pode suportar uma carga radial de 2,5 KN. O rolamento desta caixa suporta uma carga radial
estática de 4,75 KN, dinâmica de 9,56 KN, e rotação de até 9500 RPM.
Figura 3-7: Caixa de rolamento PF-40
Como o peso dos objetos transportados é irrelevante em termos de solicitação de carga
nos mancais (apenas 6,5 gramas por unidade), as solicitações de carga mais significativas a
que os mancais serão submetidos são: a tensão de estiramento da esteira (correia plana) e o
peso total do conjunto (roletes, eixos e a própria esteira).
Segundo dados do fabricante da correia transportadora [11] que será montada na
esteira elevatória, a tensão correspondente a um alongamento de 1% no comprimento da
correia, por unidade de largura é de 12 N. Considerando que a correia tem 150 mm de largura,
e um comprimento nominal de 4.000 mm, um alongamento de 40 mm (1%) resultaria numa
força de tensão de 1,8 KN.
Verificou-se, portanto, que os mancais escolhidos excedem às solicitações.
24
3.4.2.4 Eixos para sustentação dos roletes
Usinados em aço carbono laminado a quente norma SAE 1040/1045, sem tratamento
térmico. As dimensões das extremidades dos eixos foram definidas pelo diâmetro do anel
interno do rolamento especificado na seção 3.4.2.3 (Ø 12 mm). As demais dimensões são
mostradas nos desenhos nº 004MEC e 005MEC no capítulo 4.
3.4.2.5 Acoplamento
Este elemento executa a transmissão de potência do motorredutor ao rolete motriz. O
componente foi especificado a partir da potência do motorredutor e do diâmetro do eixo do
rolete: 0,18 KW e Ø 12 mm.
3.4.2.6 Motorredutor
Para dimensionar o motorredutor, foram analisados os esforços que o mesmo deverá
realizar para movimentar a esteira transportadora, visando obter a potência e o torque
requeridos.
A energia mecânica fornecida pelo eixo do motor tem três destinos: parte é dissipada
por forças de atrito nos mancais, outra parte é utilizada para colocar em movimento cada novo
objeto que entra na esteira e, finalmente, o restante transforma-se em energia potencial
gravitacional dos objetos que são elevados, supondo que o sistema esteja em regime
permanente. Antes de ser atingido o regime permanente, parte da energia fornecida pelo
motor é utilizada para colocar em movimento todo o conjunto.
O atrito nos mancais foi desconsiderado, assumindo a hipótese de que seu valor seja
pouco significativo.
A massa de cada novo objeto que entra na esteira é de 6,5 g e também não foi
considerada significativa para dimensionamento do motorredutor.
Foi considerada como significativa neste caso, apenas a potência necessária para
colocar em movimento todo o conjunto (esteira carregada com os objetos, roletes e eixos).
Foram calculados: a) massa dos componentes envolvidos, b) massa dos objetos
transportados, c) momento de inércia dos roletes e da esteira, d) velocidade, e) aceleração da
esteira.
a) Massa dos componentes:
25
Conforme esquema mostrado na Figura 3-8, o comprimento total da esteira elevatória
(1) foi estimado em aproximadamente 1.900 mm, visando ultrapassar a altura da esteira da
máquina encartuchadora (2) = 930 mm e possibilitar a implementação de uma calha de
descida (3) para que os aplicadores sejam lançados na esteira da encartuchadora.
Figura 3-8: Altura da esteira elevatória
A relação massa/superfície da correia transportadora é de 3,2 kg/m², conforme dados
do fabricante [11].
Estimando o comprimento total da correia com 4.000 mm (dois lados: 2 x 2.000 mm)
e largura de 150 mm, a correia tem uma superfície de 0,6 m², o que resulta em 1,92 kg.
Acrescentando a massa estimada das taliscas (detalhes na Figura 3-9b e descrição na seção
3.4.2.7), pode-se assumir que a massa total da correia transportadora seja de 3,1 kg, incluso
também neste valor as 520 g da massa dos objetos transportados, calculado no item b desta
subseção.
A massa dos dois conjuntos de roletes e seus respectivos eixos foi calculada
relacionando-se o volume dos elementos com a densidade dos materiais pela equação:
m = ρπD²L
4
Equação 3-1
Onde:
m = massa (kg)
ρ = densidade do material (kg/m³)
D = diâmetro do cilindro/eixo (m)
26
L = comprimento do cilindro/eixo (m)
Portanto, a massa obtida para cada conjunto rolete/eixo foi de 1,2 kg.
b) Massa dos objetos transportados:
A correia transportadora (Figura 3-9-a) é dividida ao longo de seus 4 metros pelas
taliscas (Figura 3-9-b) em espaços de 100 mm o que resulta em 40 compartimentos nos quais
os pacotes de aplicadores são transportados.
Figura 3-9: Correia transportadora – vista geral e em detalhe
Considerando obviamente apenas o flanco de subida, há 20 compartimentos que serão
“carregados” com os objetos (aplicadores). Segundo as dimensões dos objetos, cada
compartimento comporta no máximo 4 unidades, o que resulta em 80 objetos em movimento
ascendente. Como cada pacote de aplicador pesa 6,5 g, a massa total dos objetos subindo pela
esteira é de 520 g.
c) Momento de inércia dos roletes e da esteira
O momento de inércia dos dois conjuntos rolete/eixo foi calculado por:
Equação 3-2
Onde:
Ī= momento de inércia (kg.m²)
m = massa (kg)
r = raio (m)
27
A massa total dos 2 conjuntos rolete/eixo é de 2,4 kg. Substituindo os valores na
equação 3-2 resulta que:
Ī= (2,4*0,04²)/2 Ī= 1,92 x 10-3 kg.m²
O momento de inércia da correia transportadora é de 9,98 x 10-2 kg.m² e foi obtido no
desenho da esteira realizado no aplicativo computacional para projetos mecânicos (Solid
Works ™).
d) Velocidade máxima da esteira:
Hipótese: Considerando que a meta de alimentação de 90 unidades por minuto seja
alcançada e mantida, para que a velocidade da esteira seja máxima é preciso que a quantidade
de objetos que sobem pela esteira seja mínima.
No segmento ascendente, a esteira possui 20 compartimentos em 2 metros de
comprimento. Supondo que dessas 20 posições somente 25% delas estejam ocupadas por
apenas 1 pacote de aplicador, como mostra a Figura 3-10, um deslocamento de 2 metros da
esteira fornece 5 unidades.
Figura 3-10: Representação da esteira com 5 unidades de aplicadores
Como o diâmetro dos roletes é de 80 mm, são necessárias 8 rotações para movimentar
a esteira por 2 metros.
28
Então, se para cada 8 rotações do rolete sobem 5 unidades, existe uma relação de 5:8
unidades/volta. Relacionando esta razão com a meta de velocidade de 90 un./min. resulta em
144 rotações/min. O valor foi aproximado para: 150 RPM de rotação máxima.
Convertendo 150 RPM em velocidade angular (ω) pela equação:
ω = 2π(n/60) Equação 3-3
Onde n = número de rotações por minuto (RPM).
ω = 2π(150/60) → ω = 15,7 rad/s
e) Aceleração angular da esteira
A aceleração da esteira é um parâmetro que, no caso do alimentador projetado, pode
ser escolhido por meio do inversor de frequência. O inversor selecionado pode ser
programado para uma rampa de aceleração com tempo entre 0,1 a 999 segundos. Uma
restrição é que, um tempo de aceleração extremamente curto para cargas de alta inércia pode
provocar falha por sobrecorrente no inversor. Para efeito de dimensionamento foi considerado
um tempo de aceleração de 1 segundo.
A aceleração angular (α) é calculada por:
α = d ω / dt Equação 3-4
Considerando então, do repouso ao regime permanente, a variação da velocidade
angular de 15,7 rad/s e a variação de tempo de 1 s:
α = 15,7 rad/s².
Em seguida, para maior clareza, os valores obtidos nos cálculos desta subseção foram
agrupados na tabela 3-1:
Tabela 3-1: Resumo dos resultados dos cálculos
Massa da esteira 3,1 kg Massa dos 2 conjuntos rolete/eixo 2,4 kg Momento de inércia dos conjuntos rolete/eixo (I) 1,92E-03 kg.m² Momento de inércia da esteira (II) 9,98E-02 kg.m² Momento de inércia total do conjunto (I + II) 0,102 kg.m² Velocidade angular da esteira 15,7 rad/s Aceleração angular da esteira 15,7 rad/s²
29
O torque necessário para colocar todo o conjunto da esteira em movimento pode ser
calculado pela segunda Lei de Newton. Para rotação, a 2ª lei de Newton pode ser escrita da
seguinte forma:
T = Īα Equação 3-5
Onde:
T = torque (Nm)
Ī= momento de inércia (kg.m²)
α = aceleração angular (rad/s²)
Utilizando o momento de inércia total do conjunto: 0,102 kg.m² e a aceleração
angular: 15,7 rad/s² na equação 3-5, o torque obtido foi: 1,6 Nm.
A potência necessária para movimentar o conjunto da esteira foi calculada por:
P = Tω Equação 3-6
A potência encontrada foi de 25,12 W. Verificou-se, portanto, que a potência
requerida para movimentar a esteira é baixa, sendo superada por um dos menores
motorredutores padrão de catálogo: 0,18 KW.
A seguir, foi determinada a relação de redução do motorredutor (i):
A relação (ou fator) de redução (i) é a razão entre a rotação de saída (ns) e a rotação de
entrada (ne) de um motorredutor: i = ns / ne.
A rotação máxima requerida para a esteira foi calculada anteriormente em 150 RPM.
Considerando que o motorredutor possui um motor elétrico de 4 pólos com rotação de 1.800
RPM a 60 Hz, a relação será 150/1800, ou seja: um fator de redução i = 1:12.
Comercialmente, a relação de redução mais próxima é de 1:15.
30
3.4.2.7 Esteira (correia transportadora plana tipo cinta):
Esteira fabricada em tecido sintético (malha de poliéster) revestida interna e
externamente com PVC branco, equipada com “taliscas” para facilitar a “pega” e elevação
dos objetos. Essas taliscas são protuberâncias no formato de abas, acopladas ao longo da
correia transportadora para possibilitar o arraste dos objetos a serem transportados.
As especificações da correia transportadora são: comprimento 4.060 mm; largura 150
mm; espessura 2,8 mm; diâmetro mínimo de polia (80 mm) e massa de 3,2 kg/m² conforme
dados do fabricante [11].
Cálculo do comprimento da esteira (L):
L= 2D + π(d + e)
L= 4.060 mm
Onde:
D= distância entre centros dos roletes (mm)
d= diâmetro dos roletes (mm)
e= espessura da esteira (mm)
3.4.3 Calha de Lançamento
Devido ao constante atrito com os aplicadores, que poderia danificar chapa pintada, o
material construtivo da calha deve ser aço inoxidável. Sua construção foi especificada em
chapa dobrada de aço inoxidável AISI 304, com espessura de 1,5 mm, com acabamento
polido para garantir deslizamento dos objetos. As dimensões da calha foram detalhadas no
desenho n° 009MEC no capítulo 4. A Figura 3-11 exibe uma visão 3D da calha de
lançamento.
Figura 3-11: Calha de Lançamento
31
Na extremidade de saída da calha, é montado o motor de passo e o rolete de
lançamento com seu respectivo suporte, fabricado também em aço inoxidável soldado à chapa
da calha.
O rolete de lançamento foi projetado para ser fabricado em material plástico, como por
exemplo, poliamida (Nylon®) revestido externamente com borracha macia (silicone, dureza
55 – 60 Shore A) para tracionar os aplicadores e lançá-los.
Na sequência, foi determinado o diâmetro do rolete. Como a rotação do rolete será
excêntrica em relação ao eixo, a superfície do mesmo ficará alternadamente mais afastada e
mais próxima do aplicador.
Assumindo que a parte que terá maior contato com o aplicador terá um comprimento
de ¼ da circunferência (C) do rolete e o comprimento do aplicador é 70 mm, então, para
garantir a tração adequada, ¼ da circunferência deveria medir 70 mm. Portanto o diâmetro
escolhido para o rolete foi de 90 mm, e a largura de 35 mm. Detalhes construtivos do rolete
lançador podem ser vistos no desenho n° 007MEC no capítulo 4.
Para execução do controle da velocidade da esteira elevatória, a calha foi concebida
para ter três sensores de nível: mínimo, médio e máximo. Quando o nível de aplicadores
estiver na mesma altura do sensor de nível mínimo e os outros dois sensores não estiverem
atuados, significa que a calha está com nível mínimo de aplicadores.
Então, por meio da lógica de programação do PLC, o sinal de referência de velocidade
da esteira elevatória será incrementado, aumentando sua velocidade e possibilitando o
ingresso de novos aplicadores na calha de lançamento.
De modo inverso, quando todos os três sensores estiverem atuados, significa que a
calha de lançamento está cheia e o PLC comandará a redução da velocidade da esteira
elevatória. Caso a máquina encartuchadora pare, o PLC também comandará a parada da
alimentação.
A sustentação da calha foi solucionada por meio de perfis quadrados unidos por
parafuso à estrutura da esteira elevatória e, na extremidade de saída, fixada também por perfil
metálico à estrutura da encartuchadora, contando com um coxim de borracha para absorver
vibrações.
32
3.5 Especificação dos componentes elétricos
3.5.1 Inversor de frequência
Para controlar a velocidade da esteira elevatória, optou-se por empregar um inversor
de frequência. Essa escolha foi determinada pelas características de grande durabilidade desse
tipo de acionamento, baixa manutenção, boa oferta de recursos de controle e custo atrativo
dada a baixa potência requerida.
A tensão de alimentação pode ser monofásica ou trifásica 220 V ou 380 V que são os
padrões mais difundidos em equipamentos industriais para a potência requerida. A potência
do inversor deve ser suficiente para alimentar a corrente consumida pelo motorredutor de 0,18
kW.
O inversor de frequência especificado apresenta recurso para receber sinal de controle
de velocidade via entradas digitais.
Atendendo às solicitações citadas acima, foi selecionado um inversor de freqüência da
marca Weg modelo CFW-10, com tensão de alimentação de 200-240 V, corrente nominal de
saída de 1,6 A e potência nominal de 0,6 kVA, compatível para acionar um motor de 0,18
kW.
3.5.2 PLC
Para a especificação de um PLC, é necessário determinar basicamente [12]:
Número de entradas e saídas digitais
Número de entradas e saídas analógicas
Nível de tensão das entradas e saídas
Tensão e potência da fonte de alimentação
Tempo de varredura ou tempo do ciclo de execução do programa (scanning time)
Capacidade de memória versus tamanho do programa
Possibilidade de expansão futura
Interfaces de comunicação
Condições ambientais de operação
33
3.5.2.1 Mapeamento de entradas / saídas
A Tabela 3-2 apresenta a lista e o tipo das entradas e saídas necessárias para o
alimentador. O nível de tensão escolhido foi 24 VCC, padrão amplamente difundido entre os
diversos fabricantes de PLC.
3.5.2.2 Fonte de alimentação
Na Tabela 3-3 as entradas e saídas foram listadas relacionando os valores máximos de
consumo de corrente fornecidos pelo fabricante do PLC.
Foi escolhida uma fonte de alimentação de 24 VCC com capacidade para 10 Amperes,
capaz de atender os 3,24 A das entradas e saídas do PLC e o driver do motor de passo de 3 A.
Tabela 3-2: Classificação das entradas/saídas do PLC
34
3.5.2.3 Tempo de varredura e capacidade de memória
O programa do PLC ficou com o tamanho de 68 KB e 75 instruções. Estes valores se
mostraram compatíveis com o modelo de PLC selecionado, que pode processar até 8.000
instruções.
Atualmente, um micro PLC ou PLC de pequeno porte de qualquer fabricante
reconhecido no mercado terá capacidade de memória e um tempo de varredura típico
suficiente para executar o programa do alimentador.
O programa foi desenvolvido na ferramenta de programação “Weg TP03-PCLink”
utilizando a linguagem de programação Ladder.
3.5.2.4 Considerações finais
As condições de instalação e operação do PLC para o alimentador não exigiram
características especiais tais como equipamento a prova de explosão, redundância, etc.
Capacidade de expansão também não foi necessária, bastando apenas algumas entradas e
Tabela 3-3: Consumo das entradas/saídas do PLC
35
saídas reserva para eventual necessidade. Para esta aplicação, o PLC não necessitará de
interfaces de comunicação com outras máquinas ou sistema supervisório.
A especificação mínima para o PLC foi assim definida:
Alimentação: Entrada 127/220 V CA e saída fonte 24 VCC
16 entradas e 8 saídas digitais, integradas na CPU, a transistor, tipo PNP, 24 VCC
1 saída analógica 0 a 10 VCC ou saída de controle por pulsos – PWM (Pulse Width
Modulation)
CPU: EEPROM interna de 8.000 instruções, tempo de varredura ≤6 ms
Temporizadores, contadores, flags e registros internos
Retenção de dados por bateria ou capacitor
O PLC selecionado foi o modelo TPW-03-30HT-A da marca Weg, com tensão de
alimentação de 100~240 V CA, fonte interna de 24 VCC, 16 pontos de entradas digitais, 14
pontos de saídas digitais 24 V CC a transistor, com duas saídas rápidas PWM e tempo de
ciclo entre 0,31 µs e 0,45 µs por instrução.
3.5.3 Sensores
Foram especificados os seguintes sensores:
Sensor fotoelétrico reflexivo (barreira), saída PNP 24 VCC conforme exemplo
mostrado na Figura 3-12. Estes sensores foram selecionados para detecção de produto e
disparo do rolete lançador. Optou-se pelo o sensor por barreira, pois o facho de luz atravessa a
esteira de produto da encartuchadora até encontrar o refletor (espelho) do outro lado. Somente
quando há presença de produto a barreira é interrompida e atua o sensor.
Figura 3-12: Sensor fotoelétrico reflexivo
36
Sensor fotoelétrico por fibra óptica, reflexão difusa, saída PNP 24 VCC, como
mostrado na Figura 3-13-a. Estes sensores foram escolhidos para controle do nível da calha e
detectar aplicador na posição de lançamento. Optou-se por sensor fibra óptica, pois a ponteira
onde as fibras terminam tem dimensões reduzidas (Figura 3-13-b), possibilitando assim
instalá-las na calha de lançamento apenas por pequeno orifício de 2 ou 3 mm de diâmetro, que
evita interferência no deslizamento dos aplicadores.
Figura 3-13: Sensor de fibra óptica
3.5.4 Motor de passo
3.5.4.1 Determinação da rotação do motor de passo
Sabendo que o aplicador tem 70 mm de comprimento, pode-se concluir que um
deslocamento de 80 mm será suficiente para lançá-lo da extremidade da calha de lançamento.
O tempo necessário para este deslocamento foi determinado pela divisão da largura
dos compartimentos de produto (60 mm) pela velocidade da esteira de entrada da
encartuchadora (1 m/s)1. Portanto o tempo é de 0,06 s.
A velocidade linear (v) de lançamento do aplicador será então de 1,33 m/s.
Consequentemente, esta é a velocidade tangencial do rolete lançador. A velocidade angular
(ω) do rolete foi obtida pela relação v = ωR, (sendo R= ao raio do rolete, em metros,
determinado na seção 3.4.3), resultando que ω = 29,6 rad/s → aproximando:→ ω = 30 rad/s.
Convertendo para RPM: →287 RPM. Portanto, a rotação do motor de passo foi
especificada para a faixa de 300 RPM.
1 Velocidade linear obtida com a máquina na velocidade na qual se atinge a produção alvo de 90 un/min.
37
3.5.4.2 Determinação do torque mínimo do motor de passo
A força necessária para o motor de passo impelir o aplicador é proporcional à massa
do mesmo. Como a massa é desprezível (6,5 g) essa força foi desprezada.
Nota: a força de atrito também foi desprezada neste caso, pois o objeto é de plástico e
a superfície da calha é de aço inoxidável polido.
Foi considerada relevante apenas a massa do rolete lançador para a determinação do
torque necessário para girá-lo.
De posse da velocidade angular (ω) e do tempo, ambos calculados na seção 3.5.4.1, a
aceleração angular foi calculada pela equação 3-4 e o valor obtido foi de α = 500 rad/s².
O momento de inércia do rolete depende de sua massa, que foi calculada
multiplicando seu volume pela densidade dos materiais. (Poliamida: ρ = 1,1 kg/dm³, aço
inoxidável ρ = 7,9 kg/dm³ e borracha vulcanizada ρ = 1,08 kg/dm³,) [13]. A massa encontrada
para o rolete foi de 150,87 g.
O momento de inércia do rolete foi calculado pela Equação 3-2
resultando em:
Ī= 1,96 x 10-4 kg.m².
O torque necessário para a rotação do rolete foi determinado pela Equação 3-5
e o valor obtido foi:
T = 0,098 Nm (aproximadamente 1 kgf.cm).
De modo a atender tais parâmetros, foi selecionado um motor de passo marca
Autonics modelo A4K-M245(W) com carcaça tamanho 42, com ângulo de passo de 1,8°, 200
passos/revolução, torque estático de 0,348 Nm, 1,2 A/fase, comprimento de 47,5 mm, flange
quadrada de 42 mm e eixo de diâmetro de 5 mm. [14]
A rotação de 300 RPM corresponde a 5 revoluções por segundo. O motor tem um
ângulo de passo de 1.8°, então, cada revolução do motor corresponde a 200 passos.
Como cada revolução do motor tem 200 passos, para que o mesmo gire a 300 RPM,
são necessários 1.000 passos em 1 segundo, ou seja, 1.000 pulsos por segundo (1.000 PPS).
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A Figura 3-14 exibe a curva Velocidade x Torque, fornecida pelo fabricante do motor
de passo, onde se pode verificar que o torque correspondente à velocidade de 1.000 PPS
excede ao torque mínimo necessário (1 kgf.cm).
Figura 3-14: Curva Velocidade X Torque do motor de passo
Para controle deste motor foi selecionado o driver de controle Autonics modelo
MD2U-MD20.
3.5.5 Componentes Elétricos Gerais
Os demais componentes elétricos de uso geral foram descritos na lista de materiais no
capítulo 4.
39
3.6 Funcionamento do Sistema e Fluxograma
A partir das especificações dos componentes, dos estudos e soluções descritas nas
seções anteriores, foi possível sintetizar o funcionamento do sistema e elaborar um
fluxograma das funções, o qual serviu de base para a programação do PLC.
Na sequência, são apresentados o descritivo de funcionamento do sistema e o seu
fluxograma.
3.6.1 Descrição do funcionamento:
1. O silo do alimentador deve estar previamente abastecido.
2. Ligar o alimentador.
3. Os sensores de nível da calha de lançamento (S-4, S-5 e S-6) detectarão a condição de nível da calha, conforme lógica mostrada na Tabela 3-4.
4. Será então enviado sinal de comando para acionar a esteira elevatória, que encherá a calha.
5. A calha receberá os aplicadores e o primeiro pacote de aplicador ficará parado na ponta da calha (posição de lançamento) por meio de um pequeno ressalto de retenção feito de borracha flexível.
6. Este primeiro pacote de aplicador atuará o sensor de presença de aplicador na posição de lançamento (S-3).
7. O sistema de lançamento (motor de passo/rolete) está pronto para lançar aplicador assim que receber sinal de produto entrando na encartuchadora.
8. Se não houver aplicador na posição de lançamento (S-3) e o motor de passo receber sinal para lançá-lo, será enviado sinal de falha de alimentação para a encartuchadora.
9. Se não houver sinal de produto entrando na encartuchadora o alimentador fica em stand-by.
Tabela 3-4: Tabela-verdade do nível da calha. As combinações válidas entre os 3 sensores de nível resultam em 4 estados de saída que determinam a velocidade da esteira elevatória:
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3.6.2 Fluxograma do Programa do PLC
As Figuras 3-15 e 3-16 exibem o fluxograma de programação do PLC que foi
elaborado a partir do descritivo de funcionamento:
Figura 3-15: Fluxograma - Parte I
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Figura 3-16: Fluxograma - Parte II
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4 RESULTADOS
Como este projeto ainda não foi implementado, os resultados obtidos até o momento
foram: os desenhos mecânicos, o diagrama elétrico, o programa do PLC e a lista de materiais
e orçamento.
Neste capítulo, são apresentados esses resultados que antecedem a implementação do
projeto.
4.1 Desenhos mecânicos
Para a realização deste trabalho foram executados diversos desenhos incluindo:
modelos 3D, desenhos de detalhes de peças e desenhos de montagens. Nas próximas páginas,
são exibidos os principais desenhos mecânicos gerados para o projeto.
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4.2 Desenho Tridimensional
Para proporcionar uma visão geral do equipamento, foi elaborado um desenho
tridimensional da montagem completa, como mostrado na Figura 4-1. O desenho da
montagem, n° 010MEC pode ser visto em maiores detalhes na subseção 4.1.
Figura 4-1: Desenho Tridimensional
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4.3 Diagrama elétrico
A potência elétrica total consumida pelo alimentador é de 500 W. Foi elaborado o
diagrama elétrico do alimentador como segue nas próximas páginas.
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4.4 Programa do PLC
O programa do PLC foi elaborado em linguagem ladder por meio da ferramenta de
programação Weg TP03-PCLink. Na sequência, é mostrada a versão impressa do programa
com comentários:
Início do Programa
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Fim do Programa
4.5 Lista de Materiais
Na Tabela 4-1, foram listados os materiais utilizados no alimentador, suas quantidades
e orçamento de custo dos componentes levantados à época da conclusão do trabalho.
A mesma tabela também mostra os custos orçados com mão-de-obra técnica para
montagem, partida e testes do alimentador.
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Tabela 4-1: Lista de Materiais e Orçamento
Descrição Qtde. Preço unitário (R$)
Subtotal (R$)
Material Elétrico PLC Weg TPW-03-30-HT-A - 10635257 1 1.200,00 1.200,00Fonte de alimentação 24 VCC 10A 1 413,00 413,00Inversor de Frequencia Weg CFW-10 1,6 A 220 V Monofásico 1 357,00 357,00Driver Motor de Passo Autonics MD2U-MD20 1 644,00 644,00Motorredutor 0,18 kW 220 V 1750 rpm i= 1:15 1 780,00 780,00Motor de Passo Autonics A4K-M245(W) 1 150,00 150,00Painel Elétrico 1 200,00 200,00Chave-geral seccionadora 3P 25A 250 V 1 120,00 120,00Disjuntor termomagnético 3P 20A - C 250 V 1 27,00 27,00Disjuntor termomagnético 2P 10A - C 250 V 1 23,00 23,00Disjuntor termomagnético 2P 6A - C 250 V 1 43,00 43,00Disjuntor-motor termomagnético 3P 1...1,6A - 250 V 1 115,00 115,00Contator 3P 250 V AC3 0,18 kW 1 53,00 53,00Chave seletora de painel Ø 22 mm 1NA / 1NF 1 35,00 35,00Botão pulsante Ø 22mm iluminado amarelo 1 NA / 1NF 1 30,00 30,00Botão de emergência Ø 22mm tipo "cogumelo" 1 NA / 1NF 1 28,00 28,00Sensor fotoelétrico reflexivo 24 VCC PNP 2 238,68 477,36Sensor fotoelétrico difuso fibra ótica 24 VCC PNP 4 416,10 1.664,40Acoplador ótico 24 VCC 1 NA / 1 NF 1 47,00 47,00Lâmpada p/ painel 24 VCC vermelha 3 11,00 33,00Lâmpada p/ painel 24 VCC verde 1 11,00 11,00Relé auxiliar 24 VCC - 1 NA / 1 NF 5A 5 28,00 140,00Borne-fusível de vidro 3 A 2 14,00 28,00
Miscelânea: Bornes, terminais, cabos, canaletas, parafusos, etc... 1 350,00 350,00 TOTAL 6.968,76
Material Mecânico Chapa de aço inoxidável AISI 304 # 1,06 mm (m²) 2,5 187,50 468,75Chapa de aço inoxidável AISI 304 # 1,5 mm (m²) 0,5 212,50 106,25Perfil aço estrutural 1020 c/ costura quadrado 30 x 30 x 2,5 mm (m) 5 10,40 52,00Perfil "U" aço estrutural 1.020 80 x 25 x 3 mm (m) 4 12,00 48,00Cantoneira aço 1020 2" x 2" x 3/16" (m) 0,6 11,30 6,78Sapatas anti-vibração Ø 60 mm 4 10,00 40,00Conjuntos de rolete da esteira elevatória (material + usinagem) 2 720,00 1.440,00Caixas de rolamento SKF PF40 4 145,00 580,00Acoplamento p/ eixo Ø 12 mm K-40 1 139,00 139,00Correia transportadora Habasit 4.060 x 150 x 2,8 mm 1 320,91 320,91Rolete da calha de lançamento (material + usinagem) 1 200,00 200,00
Miscelânea: suportes em geral, parafusos, tinta, etc... 1 500,00 500,00 TOTAL 3.901,69
Mão-de-obra técnica (hora) Mecânico / montador 40 60,00 2.400,00Eletricista 24 60,00 1.440,00
Técnico em eletrônica 24 80,00 1.920,00
TOTAL 5.760,00
TOTALGERAL R$ 16.630,45
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5 CONCLUSÃO
A pesquisa desenvolvida neste trabalho buscou resolver os problemas de alimentação
manual que foram apresentados e resultou num projeto que atendeu aos objetivos propostos.
Espera-se que, com a implementação do equipamento projetado, o mesmo seja capaz
de alimentar a encartuchadora na velocidade desejada sem a utilização de um operador
dedicado. As únicas ações requeridas seriam o abastecimento do silo e o reconhecimento
(reset) de eventuais falhas, que podem ser executadas pelo mesmo operador da
encartuchadora.
O projeto procurou aliar soluções técnicas consistentes e confiáveis, que possam
operar com baixo índice de manutenção e custo viável.
A viabilidade do investimento pode ser verificada a priori, num cálculo simples,
relacionando o custo total do alimentador com o custo da economia de mão-de-obra.
O custo mensal de um operador neste tipo de indústria é de R$ 1.720,00 (salário e
encargos). Considerando o valor do investimento no alimentador de R$ 17.000,00, em dez
meses de operação seu custo seria amortizado. Além da economia de energia elétrica, pois a
linha de produção operando com maior velocidade pode suprir a demanda de produção em
menor tempo.
5.1 Contribuições
As principais contribuições deste trabalho foram: a pesquisa por soluções técnicas para
viabilizar o alimentador, os dimensionamentos efetuados e os estudos e detalhamentos para
implementar cada função da máquina, além do software de controle.
5.2 Extensões
Este trabalho pode ser continuado, visando alcançar um nível mais sofisticado de
automação ou melhorar os materiais e componentes empregados.
Em eventos de falha, por exemplo, o sistema poderia executar automaticamente uma
ou mais tentativas para reiniciar sem a intervenção do operador, antes de parar a máquina.
Outra possibilidade seria um estudo para substituição dos atuadores elétricos por
atuadores pneumáticos.
68
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