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CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLOGICA PAULA SOUZA FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO BERNARDO DO CAMPO “ADIB MOISÉS DIB” ALEXANDRE CHIAVELLI JOÃO CAMILLO MOTA OCTAVIANO THIAGO DE ALMEIDA ZUCA PALETIZADORA AUTOMÁTICA São Bernardo do Campo - SP Julho/2013 ALEXANDRE CHIAVELLI JOÃO CAMILLO MOTA OCTAVIANO THIAGO DE ALMEIDA ZUCA PALETIZADORA AUTOMÁTICA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado, à Faculdade de Tecnologia de São Bernardo do Campo “Adib Moises Dib” como requisito parcial para a obtenção do título de Tecnólogo (a) em Automação Industrial. Orientador: Professor: Pedro Adolfo Galani Coorientador: Professor Dr.: Delcinio Ricci São Bernardo do Campo - SP Julho/2013 ALEXANDRE CHIAVELLI JOÃO CAMILLO MOTA OCTAVIANO THIAGO DE ALMEIDA ZUCA PALETIZADORA AUTOMÁTICA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado, à Faculdade de Tecnologia de São Bernardo do Campo “Adib Moises Dib” como requisito parcial para a obtenção do título de Tecnólogo (a) em Automação Industrial. Orientador: Professor: Pedro Adolfo Galani Coorientador: Professor Dr.: Delcinio Ricci Monogra f ia de fend id a e ap rovada em:_____/_____/2013 Banca Examinadora P ro fessor - Ped ro Ga lan i , FATEC SBC - Or ien tado r P ro fessor – Marcos Vagner Zambon i , FATEC SBC Pro fessor – F ranc isco J . Ma ia , FATEC SBC Dedicamos esse trabalho a Nossas Famílias, que nos momentos de ausência dedicados ao estudo superior, sempre fizeram entender que o futuro, é feito a partir da constante dedicação no presente. Aos professores da FATEC SB pela dedicação e ensinamentos transmitidos ao longo do curso. Aos nossos colegas de classe, pelo convívio fraternal e familiar. “Cada indivíduo cria seus obstáculos, cabe ao próprio descobrir como superá-los.” BOB HOWARD RESUMO O TCC intitulado Paletizadora Automática trata-se de um projeto de automação fundamentado em uma pesquisa de natureza experimental com o objetivo de construir um sistema para uso industrial em docas de carga e descarga de caminhões, dando agilidade e confiabilidade no processo de armazenagem. A técnica experimental consiste em manusear estas cargas, de uma doca de descarga até o endereço de armazenagem numa prateleira de almoxarifado, com auxílio de equipamentos desenvolvidos pela Automação e Controle, utilizou-se uma esteira transportadora e um robô elevador de cargas, além de um painel de controle onde o operador terá informações atualizadas de todo o processo. Com o avanço das novas tecnologias surgiram as paletizadoras automáticas que trouxeram mecanismos eficientes de organização, adequando o armazenamento de cargas de uma forma geral. Para que flua adequadamente essa movimentação dos paletes, os armazéns devem estar providos de um espaço físico onde os fluxos de produtos mantêm uma frequência, variando em função da demanda e da capacidade de produção. Com a utilização desse sistema automatizado, o índice de acidentes é diminuído para praticamente a zero, visto que não haverá o contato do operador com os paletes dentro dos depósitos fabris. Palavras-chave: Industrial. Armazenagem. Paletização. Cargas. Experimental. ABSTRACT The TCC titled Automatic Palletizer it is an automation project based on a survey of experimental nature and its goal to build a system for use in industrial docks loading and unloading of trucks, giving flexibility and reliability in the process of storage. The experimental technique is to handle these loads, an unloading dock to the address stored in a warehouse shelf, using equipment developed by Automation and Control, used a conveyor belt and a robot lift loads, plus a control panel where the operator will have updated information of the whole process. The advancement of new emerged technologies has brought the automatic palletizers efficient mechanisms for organizing and adjusting the storage of cargo in general. For this flow properly handling of pallets, warehouses shall be provided with a physical space where the product flows maintain a frequency, varying according to the demand and production capacity. By using this automated system, the accident rate is reduced to virtually zero, since there is no contact of the operator with the pallets within warehouses factories. Keywords: Industrial. Storage. Palletizing. Loads. Experimental. LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 - Estoque industrial ................................................................................... 18 Figura 1.2 - Palete ..................................................................................................... 19 Figura 1.3 - Sistema estático de armazenagem ........................................................ 21 Figura 1.4 - Sistema dinâmico de armazenagem ...................................................... 21 Figura 1.5 - Robô Famulus – KUKA .......................................................................... 24 Figura 1.6 - Ilustração básico de um Robô ................................................................ 25 Figura 1.7 - Articulação de um Robô ......................................................................... 26 Figura 1.8 - Robô industrial ....................................................................................... 26 Figura 1.9 - Funcionamento do Controlador Programável ........................................ 28 Figura 1.10 - Rotina lógica de um CLP ..................................................................... 29 Figura 1.11 - Sensor fim de curso ............................................................................. 31 Figura 1.12 - Sensor óptico ....................................................................................... 31 Figura 1.13 - Potenciômetro ...................................................................................... 32 Figura 1.14 - Parte interna do servomotor ................................................................. 33 Figura 1.15 - Ligação básica do servomotor ............................................................. 34 Figura 1.16 - Servomotor RC .................................................................................... 35 Figura 1.17 - Servo motor desmontado ..................................................................... 35 Figura 1.18 - Diagrama de funcionamento ................................................................ 36 Figura 2.1 - Estudo das articulações ......................................................................... 39 Figura 2.2 - Circuito ponte H em teste ....................................................................... 40 Figura 3.1 - O projeto ................................................................................................ 43 Figura 3.2 - Partes do projeto .................................................................................... 43 Figura 3.3 - Esteira transportadora ............................................................................ 44 Figura 3.4 - Vista inferior do carro do robô ................................................................ 45 Figura 3.5 - Trilhos do carro do robô ......................................................................... 45 Figura 3.6 – Base giratória do robô ...........................................................................um dos itens de grande importância para o desenvolvimento da pesquisa e a colocação em prática. O fator financeiro também deve ser levado em consideração, pois é um limitante ao nível de tecnologia e precisão do hardware aplicado. Fica a critério de recomendação para interessados em realizar um trabalho relacionado à automação como este que escolham os melhores componentes de uso industrial e que possam ser acessíveis para implementar o protótipo. 64 REFERÊNCIAS ABNT, associação brasileira de normas técnicas. NBR14724: informação e documentação – Trabalhos acadêmicos – Apresentação. 3 Ed. Rio de Janeiro: ABNT, 2011. BATALHA, Mario Otavio – Introdução a Engenharia de Produção. 3 Ed. São Paulo: Elsevier, 2001. BOLTON, William – Mecatrônica: uma Abordagem multidisciplinar. 4 Ed. Porto Alegre: Bookman, 2010. BOWERSOX, Donald J. – Logística Empresarial: O processo de integração da cadeia de suprimentos. 1 Ed. São Paulo: Atlas, 2001. CORRÊA, Henrique Luiz – A História da Gestão de Produção e Operações. EAESP/FGV/NPP – Núcleo de Pesquisas e Publicações 05/12/2012) CORRÊA, Marco Aurélio - Servoacionamentos e servomotores. Disponível em: Acesso em 19/03/2013. DEL TORO, Vincent - Fundamentos de Máquinas Elétricas. 1 Ed. Rio de Janeiro: LTC, 1999. DIAS, Marco Aurélio P. – Administração de Materiais: uma abordagem logística. 2 Ed. São Paulo: Atlas, 1997. GURGEL, Floriano do Amaral. – Logística Industrial. Floriano do Amaral Gurgel. 1 Ed. São Paulo: Atlas, 2000. FACTS, servo control: a handbook explaining the basics of motion: disponível em : Acesso em 11/03/2013. FATEC SB. Manual de normalização de trabalhos de conclusão de curso. 1 Ed. São Bernardo do campo, 2012. 65 FRANCHI, Claiton Moro. Acionamentos elétricos. 4 Ed. São Paulo: Erica, 2008. GIMENES, Salvador Pinillos. Microcontroladores 8051: Teoria do hardware e do Software com aplicações em controle digital e laboratório de simulação. 1 Ed. São Paulo: Person, 2002. GOMI, Edson Satoshi. – Gestão de Projetos. 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MOURA, Reinaldo Aparecido. – Armazenagem: Do Recebimento À Expedição - Vol. 2. 1 Ed. Imam. São Paulo, 2009. MILAN, Celso Flávio. – Operador de Empilhadeira: Transportes, Movimentação e Armazenagem de Cargas. 1 Ed. Érica, 2011 MORAES, Daniela. – Palete uma boa ideia que deu certo. Revista Superhirper 7 Ed. São Paulo, 1990 NOF, Shimon Y. – Handbook of Industrial Robotics. 2 Ed. PP, 1999. NOVAES, Antonio Galvão – Logística e gerenciamento da cadeia de distribuição. 3 Ed. Elsevier, 2007. OTTOBONI, Augusto - Servo - acionamentos. Mecatrônica Atual, São Paulo, v. 1, n. 6, p. 7- 14, outubro 2002. PRIBERAM, “palete” consultado no dicionário de língua portuguesa: disponível em: acesso (12/03/2013). ROSÁRIO, João Maurício. – Princípios de Mecatrônica. 2 Ed. São Paulo: Prentice Hall, 2005. SEVERINO, Antonio Joaquim – Metodologia do trabalho cientifico. 21 Ed. São Paulo: Cortez, 2000. THOMASINE, Daniel; ALBUQUERQUE, Pedro Urbano B. de. Sensores Industriais: Fundamentos e Aplicações. 4 Ed. São Paulo: Erica, 2005. javascript:PesquisaAutor(); 67 ANEXO A 68 69 7045 Figura 3.7 – Motor de corrente continua da esteira .................................................. 45 Figura 3.8 – Motores de corrente continua ................................................................ 45 Figura 3.9 – Servomotores do braço ......................................................................... 45 Figura 3.10 - Vista lateral do projeto ......................................................................... 48 Figura 3.11 - Vista superior do carro ......................................................................... 48 Figura 3.12 - O robô do projeto ................................................................................. 48 Figura 3.13 - Desenvolvimento do projeto em CAD .................................................. 49 Figura 3.14 - Peças cortadas a laser ......................................................................... 51 Figura 3.15 - Peças sendo pintadas .......................................................................... 52 Figura 3.16 - Partes do robô em processo de pintura ............................................... 52 Figura 3.17 - Montagem de base .............................................................................. 53 Figura 3.18 - Esteira em montagem .......................................................................... 53 Figura 3.19 - Preparação dos eixos do robô ............................................................. 54 Figura 3.20 - Robô em processo de montagem ........................................................ 55 Figura 3.21 - Circuito ponte H em desenvolvimento .................................................. 56 Figura 3.22 - Conversor 12V / 5V .............................................................................. 57 Figura 3.23 - Fluxograma dos blocos do programa ................................................... 59 Figura 3.24 – O projeto finalizado ............................................................................. 59 LlSTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS A ampere ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ABRAS Associação Brasileira dos Supermercados AC Alternate Current CC Corrente Contínua CLP Controlador Lógico Programável CPU Central Única de Processamento DC Direct Current FIFO First In / First Out GPD Grupo de Profissionais de Desenvolvimento JIT Justin In Time PID Proporcional Integral Derivativo PDCA Plan Do Check Act V volts PWM Pulse Width Modulation TCC Trabalho de Conclusão de Curso SNCF Service Internacional de Chemins Fer PCP Planejamento e Controle de Produção SUMÁRIO INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 14 1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ...................................................................... 16 1.1 Armazenagens de Materiais ......................................................................... 16 1.2 Histórico do sistema de armazenagem ....................................................... 16 1.3 Palete .............................................................................................................. 18 1.4 Tipos e características dos sistemas de armazenagens ........................... 20 1.5 Gerenciamento do processo de estocagem ............................................... 22 1.6 Robótica industrial ........................................................................................ 23 1.7 Características dos sistemas automatizados ............................................. 27 1.8 Controladores programáveis ........................................................................ 27 1.9 Microcontrolador ........................................................................................... 29 1.10 Sensores ........................................................................................................ 30 1.11 Motores elétricos ........................................................................................... 32 2 METODOLOGIA USADA ................................................................................ 37 2.1 O problema e a justificativa .......................................................................... 37 2.2 Evolução do processo de construção do trabalho .................................... 39 3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ............................................................ 42 3.1 Componentes do projeto .............................................................................. 44 3.2 Projeto ............................................................................................................ 49 3.3 Aquisição de materiais ................................................................................. 49 3.4 A escolha do Microcontrolador .................................................................... 50 3.5 Preparação para a montagem do projeto .................................................... 51 3.6 Montagem da maquete .................................................................................. 53 3.7 Desenvolvimento elétrico ............................................................................. 55 3.8 Desenvolvimento do programa do Microcontrolador ................................ 57 3.9 Aferições dos movimentos do robô ............................................................ 60 3.10 Aferições das velocidades dos motores cc ................................................ 60 3.11 Testes finais ................................................................................................... 61 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................................... 62 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 64 ANEXO A .................................................................................................................. 67 14 INTRODUÇÃO No passado os armazéns eram utilizados para guardar materiais de forma desordenada, sem um rígido controle das matérias primas e produtos. Esse controle era feito de forma manual, cansativo e sem produtividade. Com a expansão da automação industrial, os ambientes destinados aos armazenamentos dos estoques tiveram de se adaptar as novas tecnologias, onde o controle tornou-se mais eficaz, eliminando o controle manual, tornando-se mais ágil, rápido e preciso na busca de dados sobre materiais existentes no depósito. Os departamentos industriais de produção, marketing e finanças valorizam o processo de armazenagem com as novas tecnologias. Com o advento das novas tecnologias surgiram as paletizadoras automáticas que trouxeram mecanismos eficientes e eficazes de organização, adequando o armazenamento de cargas de uma forma geral. Para que flua adequadamente essa movimentação dos paletes, os armazéns devem estar providos de um espaço físico onde os fluxos de produtos mantêm uma frequência, variando em função da demanda e da capacidade de produção, resultando numa melhor administração. O curso de Automação Industrial da FATEC nos deu uma ampla visão sobre a fundamentação teórica e prática sobre Automação. Os conhecimentos adquiridos durante o curso proporcionaram-nos condições de enxergar melhor, de como funcionam e como são desenvolvidos, criados ou inovados os processos fabris nos mais diversos segmentos industriais. A escolha do tema do trabalho não surgiu espontaneamente, foi fruto de uma pesquisa e observação realizada nas áreas de automação e controle fundamentados durante o nosso curso superior, onde conhecemos as diversas ramificações da área de automação industrial. Após longas discussões e reflexões com os pares sobre novas tecnologias decidimosque o trabalho de conclusão de curso (TCC) tendia ao aperfeiçoamento 15 das estocagens de cargas nos armazém em gerais. Diante das argumentações apontadas, nosso objetivo é construir um Sistema de Paletização Automática para uso industrial em docas de carga e descarga de caminhões, dando agilidade e confiabilidade no processo de armazenagem. Esse sistema garante agilizar a movimentação da carga e endereçamento dos paletes para um controle de estoque, e para aplicação voltada a grandes almoxarifados e empresas de transporte e logística, sendo uma opção acessível e inteligente para modernizar o processo de estocagem e armazenagem de materiais. A técnica experimental consiste em manusear estas cargas, de uma doca de descarga até o endereço de armazenagem numa prateleira de almoxarifado, com auxílio de equipamentos desenvolvidos pela Automação e Controle. Será utilizada uma esteira transportadora e um robô elevador de cargas, além de um software de supervisão onde o operador terá informações atualizadas de todo o processo. Este trabalho é dividido da seguinte maneira: O primeiro capítulo intitulado Fundamentação teórica encontra-se a teoria que da sustentação ao trabalho. O segundo capítulo intitulado Metodologia descreve o caminho percorrido para a elaboração do trabalho. O terceiro capítulo intitulado Desenvolvimento do Trabalho encontra-se a estrutura do projeto fundamentado na teoria. E, por fim, as Considerações Finais onde são destacados os resultados obtidos, enfatizando os pontos fracos e fortes e apontando abertura para novas melhorias e implementações do projeto. 16 1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Neste capítulo encontra-se uma síntese das teorias de autores de renome nacional e internacional que dão embasamento a estrutura do projeto. 1.1 Armazenagens de Materiais Moura (2009) descreve armazenagem como sendo um sistema de distribuição ordenado de produtos acabados dentro de uma indústria ou local destinado a esse fim, ou ainda, através de um processo de distribuição. Guerra (2003) diz que a armazenagem está entre os tópicos mais importantes do sistema logístico. Um sistema de armazenagem bem estruturado possibilita a optimização do espaço diminuindo sensivelmente o custo para o consumidor final e também evita diversos problemas que afetam direta ou indiretamente o processo produtivo. Gurgel (2000) define que o Sistema Industrial possui além dos diversos estágios da manufatura, a obtenção da matéria-prima, a armazenagem dos produtos semiacabados e acabados, as lojas de comercialização e, por ultimo o consumidor. 1.2 Histórico do sistema de armazenagem Bowersox (2001) descreve que é de origem francesa a palavra logística, a palavra é derivada do verbo loger, que significa “alojar e se constitui num termo de origem militar” (p. 257). O desenvolvimento da logística tem por finalidade colocar os recursos certos no local certo, na hora certa, com um só objetivo, o de vencer batalhas esse conceito está presente nos dias atuais onde as industriais buscam aperfeiçoamento e melhorias em seus processos com o objetivo de manter e atrair seus clientes. No decorrer da história, as guerras têm sido ganhas e perdidas através do poder e da capacidade da logística, ou pela falta dela. A logística não era só 17 armazenar suprimentos e armas era definida como a “arte de movimentar exércitos onde há estratégia, transporte e preparativos administrativos com o objetivo de movimentar e sustentar as forças militares”. Sampaio (2008) relata que Alexandre, O Grande, já usava nas suas guerras o planejamento logístico: nele incluía o uso de engenheiros, contramestres, equipe de estudos estratégicos, cavalaria e infantaria. Essas equipes tinham a função de analisar como destruir a resistência das cidades a serem atacadas; comprar mantimentos armazená-los e conservá-los em pontos estratégicos do trajeto das tropas; planejar tempo de deslocamento e distâncias a serem alcançadas diariamente e desenvolver novas armas de combate. Tudo isso permitiu que seu exército fosse o mais móvel e rápido da época. Dias (1997) aponta que a produção de materiais e produtos tem crescido fortemente, em quantidade e em tipo, com maior relevo a partir da revolução industrial. A última geração humana produziu mais materiais e produtos que todas as centenas de gerações anteriores, o consumo aumentou cerca de dezesseis vezes no século XX passando de 270 mil milhões para 4300 mil milhões ao final do século. O autor ainda relata que a diversidade de produtos existentes nas nossas vidas, constituem suportes fundamentais da vida moderna. Muitos dos equipamentos que utilizamos são cada vez mais complexos, necessitando de materiais cada vez mais sofisticados, o que permite satisfazer, com eficiência, as crescentes necessidades de consumo da sociedade moderna. Devido ao aumento de consumo nas grandes nações entende-se facilmente da necessidade de criar condições que permitam produzir, armazenar e distribuir corretamente os produtos das diferentes matérias-primas, no intuito de fazê-las a chegar, em boas condições, até ao consumidor final. Dias (1997) relata que a necessidade existente relativamente ao consumo de produtos aumentou exponencialmente, surgindo assim, a necessidade de se criar grandes espaços destinados ao armazenamento de produtos e matéria prima, sendo 18 fundamental um controle correto, seguro e eficaz. As operações de armazenamento e logística assumem desta forma um papel importante para as indústrias e no contexto econômico de vários países. A seguir a figura 1.1 que ilustra um estoque industrial. Figura 1.1 - Estoque industrial Fonte: (Acessado em 25/02/2013). 1.3 Palete Segundo o dicionário Priberam, a origem da palavra “palete” vem do francês palette que significa: estrado, geralmente de madeira ou plástico, usado para empilhar e transportar materiais, que pode ser movimentado por uma empilhadora. Guerra (2000) discorre que a necessidade de organizar os estoques das indústrias e comercio criou-se um dispositivo chamado palete seu aspecto é de um estrado de madeira, metal ou plástico, sua finalidade é a movimentação de cargas. O autor, ainda, destaca que não existem registros precisos sobre a origem dos paletes de forma empírica. Diz-se que o palete sempre esteve presente nas atividades comerciais, seus primeiros registros ocorreram com o surgimento das 19 primeiras empilhadeiras embora se possam encontrar citações que a Paletização começou nos Estados Unidos em 1925. Moura (2009) aponta que no final da 2.ª Guerra Mundial o transporte de cargas no continente europeu era o sistema ferroviário, destacando a companhia francesa SNCF - Service Internacional de Chemins Fer, a melhor aparelhada, instituindo o primeiro “Pool” de paletes. Para melhor aproveitamento dos veículos ferroviários utilizava-se os paletes de dimensão 80 cm por 120 cm. Ainda o autor, também destaca que no mesmo período histórico, nos EUA, a tendência consolidava o palete 100 cm por 120 cm, até que na década de 60, o container marítimo Freight Container revolucionou o conceito de movimentação de cargas, alargando as fronteiras da padronização, uma vez que o contêiner seria operado em sistema door-to-door. A partir de 1964, nos EUA, se deu início um intensivo programa visando à criação de cargas unitárias intermodais que satisfizessem a maioria das áreas econômicas, nas suas múltiplas e diversas cadeiras de distribuição. A seguir na figura 1.2 um exemplo de palete. Figura 1.2 - Palete Fonte: (Acessado em 05/03/2013). Moura (2000) relata que no Brasil a história do palete é mais recente, trazido pelas indústrias automobilísticas americanas e pelossupermercados de origem francesa. Foi introduzido no final nas décadas de 60 e 70, permanecendo estagnado 20 até no inicio da década de 80, quando foi estabelecida a norma da ABNT – NBR 8252: 1983. Com o advento da ABRAS - Associação Brasileira dos Supermercados, em 1988, uma equipe dessa associação denominada GPD dedicados ao estudo, desenvolvimento, avaliação e teste do palete, criou-se um palete padrão que ficaria patente no aspecto operacional. Essa associação vislumbrava que a partir da década de 90 o enfoque seria pela produtividade ampla empresarial, na qual a logística integrada se tornaria peça fundamental pela necessidade de transferência de mercadorias entre fornecedores e supermercados que viriam a utilizar o sistema paletizado. 1.4 Tipos e características dos sistemas de armazenagens Jesus (2008) relata que os sistemas de armazenagens são confeccionados em aço, são estruturas para o acondicionamento de matéria-prima, produtos semiacabados ou de produtos acabados, por meio manual ou por equipamentos de movimentação. Ainda o autor diz que nos sistemas antigos, o conceito de ocupação física se concentrava mais na área do que na altura. O espaço destinado à armazenagem era sempre relegado ao local menos adequado. Com o passar do tempo, o mau aproveitamento do espaço tornou-se um comportamento antieconômico, aumentando os custos logísticos. Ressalta que racionalizar a altura ocupada foi à solução encontrada para reduzir o espaço e guardar maior quantidade de material. O conceito de verticalização de cargas tem como objetivo o máximo aproveitamento dos espaços verticais, contribuindo para o descongestionamento das áreas de movimentação e redução dos custos unitários de estocagem. Jesus (2008) descreve dois sistemas de armazenagem, o estático e o dinâmico. 21 São denominados sistemas estáticos aqueles em que os produtos estocados não sofrem movimentos internos, após serem colocados manualmente, ou através de equipamentos de movimentação nas estruturas de armazenagem. Exemplificando: Porta-pallets convencional (A), drive-thru (B), cantillever (C), estanterias leves (D). A seguir, ilustração de sistemas estáticos de armazenagem conforme figura 1.3. Figura 1.3 - Sistema estático de armazenagem Fonte: (Acessado em 15/02/2013) São denominados sistemas dinâmicos aqueles em que os produtos estocados sofrem algum tipo de movimento interno, após serem colocados manualmente, ou através de equipamentos de movimentação nas estruturas de armazenagem. Exemplificando: Porta-pallets dinâmico (A), Flow-rack (B). A seguir, ilustração de sistemas dinâmicos de armazenagem conforme figura 1.4. Figura 1.4 - Sistema dinâmico de armazenagem Fonte: (Acessado em 15/02/2013) Moura (1998) destaca que existem dois tipos de estruturas de armazenagem que são utilizadas de acordo com a aplicação e a necessidade do produto a ser armazenado e da área de estoque disponível. Essas estruturas podem ser 22 classificadas quanto a sua forma construtiva como: armazenagem leve e armazenagem pesada. As estruturas de armazenagens leves são as tradicionais cantoneiras metálicas, constituídas por colunas cantoneiras em “L”. Possui perfis de chapa de aço dobrada, perfuradas continuamente segundo as necessidades de utilização, compostas por prateleiras, com posição regulável na altura, aptas a suportarem cargas máximas de aproximadamente 300 kg e volume máximo de 0,5cm³, uniformemente distribuído. Essas estantes são de armazenagem manual e, portanto, não utilizam equipamentos de movimentação. São utilizados, normalmente, em almoxarifados de pequenas peças, arquivos mortos, bibliotecas. As estruturas de armazenagens pesadas são mais robustas, confeccionadas em perfis de chapa de aço dobrada, com regulagem vertical dos planos de carga ao longo da altura das colunas, apropriadas a suportarem cargas com pesos elevados. Os materiais são unitizados e considerados altos, cujo peso exige que sejam utilizados equipamentos para movimentação/elevação como: empilhadeiras, pontes rolantes ou elevadores. 1.5 Gerenciamento do processo de estocagem Batalha (2001) relata que as indústrias contam com um departamento responsável pela programação e controle da produção denominado PCP, por meio do JUST-IN-TIME e KANBAN, técnicas essas desenvolvidas, respectivamente, por Japoneses e Americanos deixando o processo eficaz. Gurgel (2000) aponta que o princípio básico da filosofia JUST-IN-TIME, diz respeito à produção no tocante ao atendimento de forma rápida e flexível, cuja produção atende a demanda de mercado, produzindo lotes de pequena dimensão. O planejamento e programação da produção dentro do contexto da filosofia JUST-IN- TIME procura adequar à demanda esperada às possibilidades do sistema produtivo. Essa filosofia objetiva colocar a ênfase da gerência no fluxo de produção, procurando fazer com que os produtos fluam de forma suave e contínua através das diversas fases do processo produtivo. A ênfase prioritária do sistema JUST-IN-TIME 23 para as linhas de produção é a flexibilidade, onde é esperado que as linhas de produção fossem balanceadas e ajustada às variações da demanda. A busca pela flexibilidade da produção e da redução dos tempos de preparação de equipamentos reflete-se na ênfase dada à produção de modelos mesclados de produtos, permitindo uma produção adaptável a mudanças de curto prazo e obtendo ganhos de produtividade. Ainda, Gurgel (2000) relata que a técnica denominada KANBAN, integrada no conceito JUST IN TIME, hoje largamente difundida na indústria, no que se refere à produção ou administração de estoque, o KANBAN nasceu na maior fábrica automobilística do Japão, a TOYOTA. Essa técnica surgiu com a iniciativa realizada por Yasuhiro Monden, que fundiu as técnicas e conceitos sistematizando-as e difundindo-as para o resto do mundo. O fundamento básico dessa técnica está baseado em manter um fluxo contínuo dos produtos que estão sendo manufaturados. O KANBAN traz como grande inovação o conceito de eliminar estoques, os materiais e componentes agregados ao produto chegam ao momento exato de sua produção/execução. O sucesso deste comportamento está na ênfase dada no processo de manufatura nivelado e de automação. Como resultado obtém um aumento de produtividade e redução de custos operacionais. 1.6 Robótica industrial Rosário (2005) descreve que atualmente necessita-se realizar tarefas com eficiência e precisão e em alguns casos a ação humana se torna difícil e arriscada, para isso torna-se necessário o uso de dispositivos mecatrônicos (Robôs), que realizam tarefas sem risco de vida. O autor ainda relata que a área que se preocupa com o desenvolvimento de tais dispositivos denomina-se Robótica, ela busca o desenvolvimento de técnicas e a criação de algoritmos para a criação de Robôs. A técnica da robótica envolve o 24 estudo da engenharia elétrica, e da inteligência artificial, entre outras disciplinas. Nos dias atuais temos Robôs em várias áreas da sociedade: prestador de serviços, pesquisa cientifica e educacional e ate mesmo robôs operários. Ressalta que a palavra “robô” originou-se da palavra tcheca robotnik, que significa servo. Esse termo foi utilizado originalmente por Karel Capek em 1923, também há relatos acerca de algumas animações mecânicas realizadas por Leonardo da Vinci, tais como um leão animado, e seus esforços para reproduzir máquinas que reproduzissem voos das aves, porem eram dispositivos muito limitados. Rosário (2005) discorre que a ideia de construir um robô industrial começou a tomar força no inicio do século XX com a necessidade de aumentar a produtividade industrial e melhorar a qualidade dos produtos, GeorgeDevol pode ser considerado o pai da Robótica. O autor relata que na década de 60 foram lançados os primeiros robôs industriais, porem seu preço era elevado, pouquíssimas empresas tinham acesso a eles. A partir do ano de 1976 os preços começaram a baixar de forma acelerada a grande responsável pela redução dos custos foi à microeletrônica. A empresa Kuka Robotics (2013) relata que em 1973, construiu seu primeiro robô industrial, conhecido como FAMULUS, sendo este o primeiro robô industrial articulado a possuir seis eixos controlados eletronicamente, conforme ilustração 1.5. Figura 1.5 - Robô Famulus – KUKA Fonte: (Acessado em 03/02/2013) http://pt.wikipedia.org/wiki/1973 25 Rosário (2005) detalha que o robô consiste de um braço mecânico motorizado e programável que apresenta características antropomórficas e um cérebro na forma de computador que controla seus movimentos, para realizar certos movimentos os robôs precisam de habilidades sensoriais similares ao do homem. Figura 1.6 - Ilustração básico de um Robô Fonte: ROSÁRIO, 2005, p.148 Ainda o autor descreve que o robô executa movimentos no espaço, transferindo objetos e ferramentas de um ponto a outro instruído pelo controlador e sendo informado sobre o ambiente através dos sensores na extremidade do braço. Existe também um atuador usado na execução de suas tarefas. O braço robótico é composto de uma serie de vínculos e juntas, isso permite o movimento relativo entre eles. A seguir ilustração de uma articulação conforme figura 1.7. 26 Figura 1.7 - Articulação de um Robô Fonte: ROSÁRIO, 2005, p.154 Ressalta também que o número de juntas em um robô determina os graus de liberdade, um robô industrial possui seis graus de liberdade sendo três para o posicionamento da ferramenta e três para orientação. Com menos de seis graus de liberdade não se alcançam todos os pontos do ambiente de trabalho. Um robô com mais de seis juntas é denominado robô redundante o que significa que o robô tem mais graus de liberdade do que o necessário para execução da tarefa. A seguir ilustração de robô com seis graus de liberdade conforme figura 1.8. Figura 1.8 - Robô industrial Fonte: (Acessado em 26/03/2013) 27 1.7 Características dos sistemas automatizados Bolton (2010) diz que os sistemas são compostos de várias etapas, uma delas é a criação do modelo do sistema de uma forma que possa haver um processamento quanto ao seu comportamento quando as entradas ocorrem. Um sistema pode ser representado por um diagrama de entradas e saídas, não interessando saber o que ocorre dentro do bloco e sim a relação entre a entrada e a saída. O autor ainda aponta que o termo sistema embarcado é utilizado quando empregamos microcontroladores embutidos ao sistema. O sistema embarcado é um sistema projetado para controlar uma variedade de funções não sendo possível ser reprogramado pelo usuário da mesma forma que ocorre com um computador, ou seja, não é possível o usuário modificar o que o sistema faz. O Sistema embarcado pode ser exemplificado por um eletrodoméstico comum nas residências, às máquinas de lavar roupas mais modernas, onde o microprocessador executa uma rotina de controle de ciclo de lavagem, acionamento das bombas, controle do motor e ajuste da temperatura da água. 1.8 Controladores programáveis Rosário (2005) diz que os controladores programáveis também conhecidos no Brasil como CLP são dispositivos físicos eletrônicos que possuem uma memória interna programável capaz de armazenar sequencias de instruções lógicas binárias além de outros comandos. O autor ainda relata que esses controladores surgiram em 1968, quando a divisão Hidromatic da fábrica General Motors determinou os critérios para seu projeto. O primeiro dispositivo a atender as especificações foi desenvolvido pela Gould Medicon em 1969. No ano de 1971 ocorreram às primeiras utilizações fora da indústria automobilística com a necessidade de controle eficaz para algumas aplicações, foi introduzido no ano de 1975 o controle PID (Proporcional Integral Derivativo) durante todo esse período os controladores eram construídos totalmente 28 com componentes eletrônicos discretos. Após o ano de 1977 foram introduzidos microprocessadores, após essa alteração os controladores programáveis foram largamente absorvidos no ambiente industrial. Ressalta que o controlador programável é um equipamento capaz de se comunicar com outros dispositivos externos os que permitem o recebimento ou envio de variáveis de entrada ou saída conforme pode ser observado na figura 1.9. Figura 1.9 - Funcionamento do Controlador Programável Fonte: ROSÁRIO, 2005, p.283 Rosário (2005) apresenta que o principio de funcionamento de um CLP está na execução de um programa dentro da CPU que realiza sistematicamente ações de leitura das variáveis de entrada por meio do módulo de entrada e em conjunto com um programa desenvolvido pelo usuário destinado ao controle e monitoramento de tarefas específicas. Através de uma logica o CLP faz ou não intervenções nas variáveis de saída pelo modulo de saída do mesmo, onde se pode observar na ilustração da figura 1.10. 29 Figura 1.10 - Rotina lógica de um CLP Fonte: ROSÁRIO, 2005, p.284 O autor discorre que as leituras nos módulos de entrada são realizadas através de sensores ou botões, essas variantes são processadas pela CPU em conjunto com o programa do usuário e através de lógica realiza intervenções nos módulos de saída do controlador. Nas saídas estão conectadas lâmpadas, atuadores, relês e outras variedades de componentes industriais. 1.9 Microcontrolador Gimenes (2002) descreve que, com o desenvolvimento da tecnologia e integração de circuitos eletrônicos correspondentes a área da Engenharia Elétrica denominada Microeletrônica foi possível integrar partes básicas de um computador, consequentemente se tornaram mais compactos, confiáveis e baratos dando origem aos Microcomputadores. Com o desenvolvimento da microeletrônica surgiram os microprocessadores de 16, 32 e 64 bits. 30 Bolton (2010) diz que um microprocessador constitui um sistema que pode ser utilizado para controle, porém necessita de alguns periféricos adicionais para permitir a comunicação com o mundo externo, os periféricos mais comuns são: memoria para armazenamento de programas e dados de portas de entradas e saídas. O microcontrolador é a integração do microprocessador com os periféricos adicionais. Um microcontrolador tem pinos de entradas e saídas, alimentação, clock e sinal de controle, onde os pinos de entradas e saídas são denominadas portas podendo ser programáveis como entrada ou saída dependendo da aplicação do projeto. Os microcontroladores possuem uma forma diferente de programação em relação ao microprocessador, contam com um sistema operacional e um programa de setup próprio, onde na maioria das vezes o projetista se depara com um enorme desafio elaborando todo o processo construtivo do aparelho ou dispositivo incluindo circuitos e firmware. 1.10 Sensores Thomazini (2005) diz que os sensores são dispositivos sensíveis a alguma forma de energia do ambiente que pode ser luminosa, térmica ou cinética relacionando informações de uma grandeza que precisa ser medida. O sinal de saída do sensor deve ser modelado através de circuitos específicos antes da sua leitura no sistema de controle. Atualmente existe uma grande variedade de tipos de sensores para as mais variadas aplicações. Bolton (2010) discorre sobre três tipos de sensores. Os sensores chamados de fim de curso podem ser utilizados em projetos mecatrônicos, posicionados de forma estratégica em alguns pontosdo projeto a fim de servir como sensores mecânicos de posição. Esses sensores possuem hastes compridas ou mecanismos conforme observado na figura 1.11 que ao ser pressionado por algum componente ou peça enviam um pulso para o circuito de controle. 31 Figura 1.11 - Sensor fim de curso Fonte: (Acessado em 08/03/2013) Os sensores ópticos são componentes eletrônicos de comando e sinalização que detectam qualquer material sem que aja contato mecânico entre eles. Seu princípio de funcionamento é baseado na existência de um emissor e de um receptor, a intensidade da luz gerada pelo emissor deve ser suficiente para atingir o receptor e fazer o sensor comutar. A seguir a figura 1.12 ilustra um sensor óptico. Figura 1.12 - Sensor óptico Fonte: (Acessado em 08/03/2013) O potenciômetro é um elemento de resistência que possui contatos deslizantes que são movimentados ao longo do comprimento desse elemento, seu sentido de deslocamento pode ser linear ou rotativo, sendo que seu deslocamento é 32 convertido em diferença de tensão. A seguir ilustração de um potenciômetro conforme figura 1.13. Figura 1.13 - Potenciômetro Fonte: (Acessado em 10/03/2013) O potenciômetro pode também ter a função de sensor em determinadas aplicações, pode-se evidenciar tal aplicação em um componente chamado servomotor sua função é dar uma resposta de posicionamento a placa de controle e com isso o conjunto posiciona o eixo final em função do valor de resistência do potenciômetro. Mais adiante o autor relata o funcionamento e característica dos servomotores. 1.11 Motores elétricos Franchi (2008) aponta o motor elétrico como sendo um dispositivo capaz de converter energia elétrica em mecânica. A corrente elétrica contínua ou alternada garante a movimentação do eixo do motor que pode ser aproveitado de diferentes maneiras, tais como: furadeiras, ventiladores, trólebus, máquina de lavar louça ou roupa, parafusadeira. Junior (2011) descreve dois tipos de motores. Os motores de corrente contínua são dispositivos geradores de força magneto motrizes quando uma tensão é aplicada, energizando os enrolamentos do motor. A maior aplicação para motores 33 de corrente continua está ligado ao controle de velocidade, onde necessita de um torque considerável mesmo variando a velocidade. Motores de corrente continua são encontrados nos veículos equipados com vidros elétricos, no motor do metro, em veículos trólebus, onde necessita de torque em função da velocidade. Os servomotores são máquinas síncronas especiais projetadas para atender necessidades específicas, os servomotores possuem um enrolamento trifásico no estator e imãs permanentes no rotor. Uma das principais vantagens dos servomotores é a possibilidade de controlar o torque no eixo, de forma constante e em larga faixa de rotação. Observam-se as partes que compões os servomotores conforme ilustração da figura 1.14. Figura 1.14 - Parte interna do servomotor Fonte: OTTOBONI, 2002, p.8 O autor ainda relata que para ser possível esse controle de rotação dos servomotores é necessário o emprego de um equipamento chamado servoconversor. São desenvolvidos especificamente para otimização dos servomotores. Os servoconversores têm a função de controlar o fluxo eletromagnético e fornecê-lo para os servomotores, pois os fluxos oriundos da rede trifásica convencional não apresentam uma conformidade adequada para o acionamento dos servomotores. A ilustração de ligação entre um servomotor e o servoconversor encontra-se na figura 1.15. 34 Figura 1.15 - Ligação básica do servomotor Fonte: JUNIOR, 2011, p.229 Ottoboni (2002) destaca que os servomotores classificam-se como AC Síncrono, o qual depende da realimentação a partir de um resolver. O AC Assíncrono assemelha a um motor trifásico gaiola de esquilo convencional, dependendo da realimentação obtida por um encoder e os servomotores DC, que é semelhante a um motor DC comum. Facts (2013) descreve que os servomotores RC são dispositivos que posicionam seu eixo de saída em função de um sinal de controle formado por uma sequencia de pulsos elétricos, enquanto o sinal se manter constante o eixo de saída permanece na mesma posição. Esses dispositivos são encontrados em projetos robóticos sendo acadêmicos ou hobby devido a sua funcionalidade, custo, massa e sua capacidade de torque. A figura 1.16 ilustra o servomotor RC. 35 Figura 1.16 - Servomotor RC Fonte: (Acessado em 11/03/2013) O autor ainda relata que as principais partes que compões um servomotor RC são: Motor (A): responsável por gerar força motriz para manter o movimento ou posição, Engrenagens (B): reduzem a velocidade no eixo final e aumenta o torque, Amplificador (C): é um circuito eletrônico responsável em interpretar os pulsos elétricos e comandar o motor posicionando o eixo de saída, Potenciômetro (D): que indica ao amplificador qual a posição do eixo de saída. Podemos observar as partes que compões um servo motor na ilustração 1.17. Figura 1.17 - Servo motor desmontado Fonte: (Acessado em 11/03/2013) 36 A seguir o diagrama em blocos do funcionamento de um servomotor pode ser observado na figura 1.18 Figura 1.18 - Diagrama de funcionamento Fonte: (Acessado em 12/03/2013) 37 2 METODOLOGIA USADA Este capítulo é dedicado ao caminho percorrido para a realização do trabalho, encontra-se inseridas uma sequencia de etapas para a construção lógica do trabalho. Severino (2002) aponta que a metodologia é a preparação metódica e planejada de um trabalho cientifico, compreendendo uma sequencia de etapas: determinação do tema – problema do trabalho; levantamento da bibliografia referente ao tema proposto; leitura e documentação dessa bibliografia após a seleção; construção lógica do trabalho; redação do texto. A construção lógica do trabalho é o arranjo encadeado de raciocínios com embasamento teóricos obtidos através de pesquisas e aulas, adicionada à experiência profissional. A redação do trabalho tem como base as normas da ABNT e o manual de TCC da Fatec São Bernardo do Campo. O texto está escrito em uma linguagem simples, concisa, seguido de um raciocínio lógico. 2.1 O problema e a justificativa O TCC intitulado Paletizadora Automática trata-se de um projeto de automação fundamentado em uma pesquisa de natureza experimental. Tem por objetivo construir um sistema para uso industrial em docas de carga e descarga de caminhões, dando agilidade e confiabilidade no processo de armazenagem. Para a construção lógica do trabalho foram utilizadas sequencias de etapas: Primeira etapa: A ideia de construir uma paletizadoras automática originou-se ao assistir um vídeo sobre uma montadora alemã em sala de aula. Este vídeo mostrava um sistema automatizado, com poderio de engenharia complexo, de armazenagem 38 de veículos novos. Com base nesta engenharia, surgiu-se a ideia de se recriar para um nível mais fabril e dentro da realidade em termos orçamentais, um projeto em escala simulando o processo de armazenagem, mas com lógica e controle equivalentes a um projeto em escala real, demonstrando a capacidade adquirida de automatizar. Segunda etapa: como a bibliografia tem por objetivo dar sustentação ao trabalho, fez-se uma vasta leitura de livros, artigos, revistas, boletins técnicos e sites. Terceira etapa: após a leitura de uma vasta bibliografia fez-se a classificaçãodas mesmas, foram selecionadas aquelas que especificamente interessam para dar sustentação ao trabalho. Quarta etapa: realizou-se um estudo da viabilidade econômica dos materiais a serem adquiridos, servomotores, fim de curso, motores cc, sensores, microcontrolador, rolamentos, componentes eletrônicos, o tipo de material da maquete, o custo para confecção de chapas em aço cortada a laser e peças fabricadas em processo de usinagem. Quinta etapa: foi pesquisado um dos principais componentes chamado de servomotor, necessitava ser de pequeno porte e ter torque suficiente para movimentar os braços articulados e seu custo não poderia ser elevado. Sexta etapa: para algumas articulações os motores de corrente contínua serão mais indicados, realizou-se uma pesquisa de qual modelo de motor deveríamos adquirir. Sétima etapa: foi definido que seriam utilizados dois microcontroladores trabalhando em conjunto devido à limitação de portas, após algumas analises identificou-se que seria inviável a ideia, nessa etapa decidimos mudar o microcontrolador devido às características do projeto onde precisávamos de mais entradas; devido ao número de sensores e botões, saídas específicas; onde precisávamos de pulsos PWM (Pulse width modulation) para acionar os servos e maior capacidade de memória para alocar o sistema supervisório. 39 2.2 Evolução do processo de construção do trabalho Oitava etapa: nesta etapa foi definida a geometria para os braços e articulações considerando o envelope do robô, consecutivamente impressas em papel comum algumas peças em escala real e recortadas para se obter uma imagem mais clara do equipamento que seria construído. Conforme ilustra a figura 2.1. Figura 2.1 - Estudo das articulações Fonte: Autoria própria Nona etapa: foram comparadas as dimensões dessas peças com itens a serem comprados, como servomotores e rolamentos, para anteriormente a fabricação ter- se condição de avaliar a viabilidade física do projeto. Estimou-se também o peso das peças a serem montadas sobre os eixos e confrontados com o torque das especificações técnicas dos servomotores. Décima etapa: Houve um problema com as dimensões dos braços do robô, seguindo-se a metodologia do ciclo PDCA (do inglês Plan Do Check Act), ou seja, planejar fazer verificar e agir. Foram repensadas as dimensões e geometrias das peças, onde foi realizada com êxito uma nova modelagem dos braços, reduzindo o peso e melhorando a precisão dos movimentos. 40 Décima primeira etapa: em paralelo ao desenvolvimento mecânico realizou-se o estudo dos circuitos eletrônicos de potência e controle onde o software Proteus da Labcenter eletronics foi escolhido para realizar as simulações dos circuitos, conforme ilustra a figura 2.2. . Figura 2.2 - Circuito ponte H em teste Fonte: Autoria própria Décima segunda etapa: foi finalizada a modelagem mecânica do projeto, onde foram extraídos os desenhos de todas as peças do projeto a serem fabricadas. Décima terceira etapa: contratou-se duas empresas especializadas em usinagem e corte a laser para a fabricação das peças, onde as mesmas foram confeccionadas de acordo com as especificações solicitadas e entregues no prazo estipulado. Décima quarta etapa: elaborou-se a lógica do projeto em linguagem C, onde foi utilizado um algoritmo lógico para gerenciar as posições dos paletes no magazine. Décima quinta etapa: foi escolhida a cor da maquete e do robô, utilizando-se um compressor de ar comprimido para a pintura de todas as peças do projeto. A maquete foi pintada de preto e os braços do robô de laranja. 41 Décima sexta etapa: a parte mecânica iniciou-se com a montagem da base e da esteira transportadora, em seguida o carro de locomoção do robô e por fim o robô. Durante esta etapa deparou-se com dificuldades inerentes à precisão dos servomotores, e com isso foi preciso retornar o ciclo PDCA para isolar as falhas. Décima sétima etapa: confeccionaram-se novas peças para eliminar as falhas das articulações do robô, houve a necessidade de soldar os eixos das articulações diretamente na chapa de aço para eliminar possíveis folgas. Décima oitava etapa: para a ligação elétrica do projeto foi confeccionada uma placa eletrônica para o controle dos motores de corrente continua e ligações dos sensores ao microcontrolador. Décima nona etapa: a programação lógica e testes de funcionamento do projeto foram concluídos com êxito de acordo com o objetivo proposto. E, por fim, após a construção física e lógica do projeto elaborou-se as considerações finais do TCC. 42 3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO A visão do projeto intitulado PALETIZADORA AUTOMÁTICA consiste num conjunto de equipamentos que simula uma pequena instalação de estocagem de produtos em prateleiras e uma esteira transportadora para movimentação das cargas num ambiente fabril ou simplesmente um depósito. A dimensão do projeto é constituída em menor escala, porém seu funcionamento é equivalente a um projeto industrial de grande porte. Um quesito facilmente observado é que há pouco risco de acidente, considerando que, toda a movimentação de elevação de carga é realizada sem a interferência ou proximidade do homem, de forma autônoma, diminuindo a possibilidade de erros e agilizando o processo. Na construção do projeto utiliza-se um microcontrolador programado com as condições necessárias para operações. Em escala real pode-se utilizar de forma análoga um CLP, que inclusive teria maior capacidade para tratativas de exceções necessárias para processos mais específicos. É de suma importância salientar que o projeto em desenvolvimento é um protótipo, e para ser utilizado na indústria deve ser construído com materiais adequados para as finalidades afins. A capacidade de carga, a resistência dos materiais estruturais e tamanho do conjunto como um todo em relação ao tamanho dos servomotores miniaturizados comparados aos industriais empregam potência da qual não existe escala proporcional à diferença de geometria. Na busca de conhecimentos teóricos através das pesquisas, adicionados aos concebidos através da vivencia profissional do dia-a-dia e os adquiridos em sala de aula e laboratórios da Fatec, abriu-se um leque de alternativas para explorar com mais segurança o projeto em foco. A ilustração da figura 3.1 mostra a perspectiva de como será o projeto após sua construção. 43 Figura 3.1 - O projeto Fonte: Autoria própria A ilustração da figura 3.2 mostra os principais componentes em perspectiva projeto Figura 3.2 - Partes do projeto Fonte: Autoria própria 44 3.1 Componentes do projeto Os componentes de entrada enviarão sinal ao microcontrolador informando condições a serem tratadas na rotina de programação. Sensores ópticos modelo 87797 da marca PEPPERL + FUCHS estão posicionados para leitura da presença de cargas paletizadas na esteira e na área de descarga seu principio de funcionamento pode ser descrito na fundamentação teórica. Figura 3.3 - Esteira transportadora Fonte: Autoria própria Em outra utilização, para determinar posicionamento do carro do robô em frente às prateleiras de armazenagem. 45 Figura 3.4 - Vista inferior do carro do robô Fonte: Autoria própria Também referente ao posicionamento do carro, Switches modelo VX-01-3C23 da marca OMRON com função de fim de curso nas extremidades dos trilhos para determinar última posição em relação à prateleira e carga e descarga. Figura 3.5 - Trilhos do carro do robô Fonte: Autoria própria Nas posições de 0° e 180°, onde determina em qual prateleira o robô está atuando utilizadosmesmo tipo de Switch conforme mostrado abaixo. 46 Figura 3.6 - Base giratória do robô Fonte: Autoria própria Os componentes de saída tem a função de proporcionar a dinâmica do processo quando acionado através de reles ou circuitos de potência que por sua vez recebem sinal do microcontrolador para determinada ação. Um motor CC de 12 v / 5A é utilizado para movimentar a esteira transportadora quando necessária à movimentação da carga paletizada. Figura 3.7 - Motor de corrente continua da esteira Fonte: Autoria própria Motores CC aplicados para movimentação do carro (à esquerda) e giro do corpo do robô (à direita) conforme figura 3.7. 47 Figura 3.8 - Motores de corrente continua Fonte: Autoria própria Os servomotores são responsáveis pelo movimento e posicionamento preciso das articulações do robô manipulador. Em determinados eixos foram utilizados dois servos para multiplicar a capacidade de carga e facilitar o giro. Figura 3.9 - Servomotores do braço Fonte: Autoria própria Primeiramente devido à sequência de processo, a esteira transportadora que tem função de movimentar a carga da área de descarga de veículos rodoviários para dentro do ambiente de estocagem. 48 Figura 3.10 - Vista lateral do projeto Fonte: Autoria própria O conjunto do carro e trilhos que permitem a locomoção do robô no perímetro de estocagem e acesso a região de entrega da carga pela esteira de transporte. Figura 3.11 - Vista superior do carro Fonte: Autoria própria O robô manipulador com a função principal do ambiente de estocagem, manipulando as cargas e dispensando e retirando-as das prateleiras. Figura 3.12 - O robô do projeto Fonte: Autoria própria 49 3.2 Projeto Foi desenvolvido o projeto mecânico com alguns componentes eletrônicos num software para projetos em 3D, o software utilizado é uma plataforma de CAD chamado SolidWorks. Todas as peças foram modeladas a um nível de projeto funcional, onde a partir dessa condição pode-se fazer um detalhamento para a fabricação das mesmas por parte dos fornecedores contratados da área metal mecânica. A seguir a figura 3.13 ilustra uma das fases do desenvolvimento. Figura 3.13 - Desenvolvimento do projeto em CAD Fonte: Autoria própria Nesta etapa do projeto leva-se em consideração o ciclo PDCA, ferramenta importante para se obter melhorias antes da fabricação final dos componentes. 3.3 Aquisição de materiais Realizou-se um estudo da viabilidade econômica dos materiais a serem adquiridos, servomotores, fim de curso, motores cc, sensores, microcontrolador, rolamentos, componentes eletrônicos, o tipo de material da maquete, o custo para 50 confecção de chapas em aço cortada a laser e peças fabricadas em processo de usinagem. Foi pesquisado um dos principais componentes chamado de servomotor, necessitava ser de pequeno porte e ter torque suficiente para movimentar os braços articulados e seu custo não poderia ser elevado. Definimos que para algumas articulações motores de corrente continua serão mais indicados, realizamos uma pesquisa de qual modelo de motor deveríamos adquirir. 3.4 A escolha do Microcontrolador Na ideia inicial foi definido que seriam utilizados dois microcontroladores trabalhando em conjunto devido à limitação de portas, após algumas analises identificamos que seria inviável a ideia, nessa etapa decidimos mudar o microcontrolador devido às características do nosso projeto onde precisávamos de mais entradas; devido ao numero de sensores e botões, saídas específicas; onde precisávamos de pulsos PWM (Pulse width modulation) para acionar os servos e maior capacidade de memória para alocar o sistema supervisório. Foi utilizado um microcontrolador ATMEGA2560, facilmente encontrado em mercado, que tem a função de substituir uma unidade de controle mais desenvolvida para a escala do projeto, evitando também um custo desnecessário para o fim que se destina. Comporta 54 entradas/saídas que podem ser convertidas conforme necessidade e programação possuem também um meio de comunicação ethernet que permite troca de informações com a interface com o usuário e supervisório instalados num computador comum. O acionamento de motores de corrente continua é dado indiretamente, ou seja, as saídas são ligadas a um circuito auxiliar de controle denominado ponte H, 51 onde é possível controlar o sentido; através de uma saída digital do microcontrolador e a velocidade; através de pulsos PWM (Pulse width modulation) oriundos de uma saída específica do componente. 3.5 Preparação para a montagem do projeto Realizou-se uma inspeção para verificação do nível de qualidade das peças recebidas, onde foi comparado o dimensional das peças físicas com os desenhos de projeto. A seguir a figura 3.14 ilustra a fase de inspeção. Figura 3.14 - Peças cortadas a laser Fonte: Autoria própria Devido ao material das peças requererem tratamento superficial para evitar oxidação, pois muitas delas são em aço 1020, decidiu-se realizar uma etapa de pintura dando acabamento e a proteção necessária. As peças estruturais e os conjuntos estáticos do projeto foram pintados em preto fosco e os conjuntos dinâmicos, braços do robô, foram pintados em laranja seguindo o padrão que muitas indústrias utilizam em destacar os componentes móveis dentro do ambiente de trabalho. O equipamento utilizado na fase de pintura foi um compressor de ar comprimido, o qual nos proporcionou agilidade e praticidade. A seguir a figura 3.15 ilustra o equipamento utilizado. 52 Figura 3.15 - Peças sendo pintadas Fonte: Autoria própria Após a pintura as peças foram penduradas para a secagem da tinta, de uma forma similar ao que as empresas deste segmento utilizam. A seguir a figura 3.16 ilustra a fase de pintura. Figura 3.16 - Partes do robô em processo de pintura Fonte: Autoria própria 53 3.6 Montagem da maquete Realizou-se a montagem da maquete utilizando como referência os desenhos em 3D do projeto no software SolidWorks. Utilizou-se um conjunto de ferramentas, incluindo uma parafusadeira a bateria, para a montagem e aperto de todos os parafusos do projeto. Iniciou-se montagem da base do projeto conforme ilustra a figura 3.17. Figura 3.17 - Montagem de base Fonte: Autoria própria A esteira foi montada a as polias foram alinhadas de forma a ajustar a pressão da correia. Conforma ilustra a figura 3.18. Figura 3.18 - Esteira em montagem Fonte: Autoria própria 54 Realizou-se a fixação das estrelas nas peças de nylon usinadas, nessa etapa da montagem foram feito furos para a fixação das estrelas, utilizou-se parafuso Allen M3 conforme ilustra a figura 3.19. Figura 3.19 - Preparação dos eixos do robô Fonte: Autoria própria A montagem do robô exigiu dedicação e tempo de toda a equipe devido ao elevado número de componentes e fixações dos subconjuntos. O robô comporta três eixos articulados, cada eixo é tracionado por dois servomotores trabalhando de forma síncrona, sua base é capaz de efetuar um giro de 180º em seu próprio eixo através de um motor de corrente continua acoplado na parte inferior do robô. A figura 3.20 ilustra os servomotores fixados no robô. 55 Figura 3.20 - Robô em processo de montagem Fonte: Autoria própria 3.7 Desenvolvimento elétrico Foi utilizado um kit de desenvolvimento de projetos que utiliza um microcontrolador ATMEGA2560, facilmente encontrado em mercado, que tem a função de substituir uma unidade de controle mais desenvolvidapara a escala do projeto, evitando também um custo desnecessário para o fim que se destina. Os servomotores são controlados pelo microcontrolador utilizando PWM (Pulse width modulation) essa característica nos proporcionou uma flexibilidade nos movimentos do robô. Utilizando o mesmo tipo de sinal PWM realizamos o controle dos motores de corrente continua, proporcionando uma baixa velocidade e melhor precisão. A inversão de sentido dos motores foi utilizando um circuito chamado Ponte H, neste circuito foi utilizado apenas relés para chavear os motores devido a sua alta corrente. A figura 3.21 ilustra o circuito em desenvolvimento. 56 Figura 3.21 - Circuito ponte H em desenvolvimento Fonte: Autoria própria No projeto utilizaram-se cinco sensores do tipo óptico e estão distribuídos da seguinte forma: dois para a esteira, dois para o carro do robô um para sinalizar produto na área de descarga. Nesta fase nos deparamos com um problema relacionado à tensão de saída do sensor, nosso microcontrolador necessita de uma tensão de 5 V em suas entradas, porem os sensores ofereciam uma tensão de 12 V como sinal, para solucionar esse problema colocou-se um relé ligado em 5 V na saída de cada sensor, com isso conseguimos que as entradas recebessem a tensão exata. A figura 3.22 ilustra o circuito necessário. 57 Figura 3.22 - Conversor 12V / 5V Fonte: Autoria própria 3.8 Desenvolvimento do programa do Microcontrolador O programa desenvolvido para controlar e monitorar as rotinas do sistema automatizado em escala pela maquete foi desenvolvido em linguagem C. Esta linguagem é muito comum para aplicações em microcontroladores, pois o ambiente para desenvolvimento ou IDE (Integrated Development Environment) se utiliza desta para que o programador escreva as rotinas de controle e tão logo compilada para uma linguagem de máquina e gravada no chipset do microcontrolador. A rotina de programação foi desenvolvida após a análise das situações e ordem de funcionamento de cada conjunto, propondo assim solução para o problema da movimentação da carga paletizada. De outra forma, caso o controle fosse aleatório ou com movimentos abruptos a manipulação seria fortemente comprometida. 58 Foi desenvolvido um programa com rotinas em blocos ou procedures, esses blocos armazenam uma sequência de ativações das saídas do microcontrolador que atuam sobre os componentes do equipamento como a esteira, ativando-a e repetindo o comportamento físico que lhe foi atribuída. Através do modo de comando selecionado em manual ou automático, ativados por botões no painel de comando da maquete, o programa faz a leitura de um determinado bloco que “chama” ou carrega as procedures conforme a ordem de atuação de cada conjunto, repetindo todos os movimentos programados. O fluxograma a seguir na figura 3.23 ilustra a sequência de rotinas do programa. 59 Figura 3.23 - Fluxograma dos blocos do programa Fonte: Autoria própria 60 3.9 Aferições dos movimentos do robô Os servomotores proporcionam um tipo de movimento relativamente preciso, mas isso não é o suficiente para que o robô pudesse atuar. Para ser obtida a precisão necessária nos movimentos do robô, fora exigida uma sincronização dos movimentos de cada eixo, já que os três eixos atuam ao mesmo tempo. A maior parte do problema deu-se graças ao tipo de movimento das juntas do robô, apenas angular, dificultando a prática de movimentos lineares do garfo do robô, por exemplo. Finalmente, seguindo a lógica de parametrização por pontos como num robô industrial, pôde-se então atingir o objetivo da obtenção dos movimentos que deslocam a carga paletizada, onde o robô translada entre os pontos no espaço. Estes pontos são o resultado dos valores marcados pelas posições dos servomotores, articulando suas três juntas, e controlando a velocidade dessa transição entre pontos foi atingido o tipo de movimento e velocidade necessário para a devida movimentação da carga. 3.10 Aferições das velocidades dos motores DC Os motores dos conjuntos da esteira, carro e giro do robô são movidos por motores CC que podem atingir altas velocidades de rotação quando acionados em plena capacidade com a tensão nominal de 12V. Para evitar um movimento desproporcional aos exigidos para a movimentação da carga, os motores devem trabalhar em faixa de rotação reduzida, o que pode ser feito através da redução ou o fracionamento do tempo de alimentação, ou seja, aplicar a tensão nominal simulando um sistema de controle PWM, intercalando o tempo entre alimentado a 12V e não alimentado. O resultado é a diminuição da velocidade do motor. 61 Após alguns testes que levaram a estipular valores a serem atribuídos no programa de controle, obteve-se o movimento com a velocidade necessária para a atuação de cada conjunto. 3.11 Testes finais O refinamento do sincronismo da atuação dos conjuntos e da funcionalidade de cada um individualmente foi posta a prova nesta etapa. Os mecanismos foram calibrados para atender a movimentação necessária quando em funcionamento e proporcionar o máximo de repetibilidade a operação, houve a necessidade de muitas atuações e afinamentos de valores e ajustes para se atingir um nível mínimo e aceitável de qualidade na movimentação da carga, lembrando que mesmo tratando-se de um equipamento em escala reduzida, as dificuldades foram tão grandes quanto às encontradas em escala real. Pode-se observar o projeto funcional na ilustração da figura 3.24. Figura 3.24 – O projeto finalizado Fonte: Autoria própria 62 CONSIDERAÇÕES FINAIS Sobre o tema abordado neste trabalho de conclusão de curso, uma Paletizadora automática, que nada mais foi do que um objeto para estudo e prática ao que se refere à palavra automatizar. Este objeto possibilitou a interação de parte do conteúdo ministrado na graduação e a afinidade com as situações problema que o profissional da área deve estar disposto a solucionar. Na elaboração da pesquisa foram levantadas muitas hipóteses de como atingir pequenos objetivos em determinados momentos, como a maneira de se acionar um determinado conjunto eletricamente, a construção de um circuito de controle e/ou comando e posteriormente os testes que com o funcionamento adequado comprovaria o objetivo alcançado. Ainda durante a fase de pesquisa existiu a dificuldade de se encontrar a solução para acionamentos de motores elétricos com potência relativamente alta, estes exigiam muita corrente das fontes de alimentação sendo até mesmo um complicador a evolução do projeto proporcionando um atraso considerável. Em abordagem a metodologia utilizada, que foi um plano de ação com as etapas dos projetos, onde houve a necessidade de se apoiar no ciclo PDCA, melhorando as situações de trabalho de alguns componentes como sensores e o conjunto da esteira e do carro do robô. Houve situações adversas como à queima de um servomotor, potenciômetros, transistores e outros componentes que foram exigidos ao máximo devido à forma que estes trabalhavam, inclusive existiam um aquecimento exagerado dos circuitos. Estes que somados geram um montante de situações onde foram colocadas em cheque as etapas da metodologia utilizada. Por fim com a aplicação do princípio de funcionamento do PWM, simplificando os circuitos e reduzindo muito o aquecimento gerado por ter os motores acionamentos por um tempo menor, obteve-se um resultado expressivo restando 63 apenas o inconveniente da baixa taxa de repetibilidade do protótipo. Esta devida a qualidade moderada de alguns componentes. Parte da dificuldade do trabalho deu-se ao prazo estipulado para entrega do projeto,