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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”

CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

ANDERSON MICHAEL DA CRUZ GUIMARÃES

MASSAYOSHI FUONKE

OTIMIZADOR DE PARAFUSAMENTOS PNEUMÁTICO

Garça

2015

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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”

1

CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

ANDERSON MICHAEL DA CRUZ GUIMARÃES

MASSAYOSHI FUONKE

OTIMIZADOR DE PARAFUSAMENTOS PNEUMÁTICO

Artigo Cientifico apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC, como requisito para conclusão do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte comissão de professores:

Data de Aprovação: ___/___/___

Prof. Dr. Ulysses de Barros Fernandes

FATEC Garça

Prof.(a) (membro da banca)

FATEC Garça

Prof.(a) (membro da banca)

FATEC Garça

Garça

2015

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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”

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OTIMIZADOR DE PARAFUSAMENTOS PNEUMÁTICO

Anderson Michael da Cruz Guimarães1

anderson.m_guimaraes@hotmail.com

Massayoshi Fuonke excel.honke@hotmail.com

Prof. Dr. Ulysses de Barros Fernandes2 ulyssesbfernandes@yahoo.com.br

Resumo – O objetivo do projeto consiste em desenvolver uma unidade controladora de ar que visa melhorar o processo de parafusamento com ferramentas pneumáticas. Baseando-se em princípios de pneumática e eletrônica o equipamento será alocado entre a linha de ar e a ferramenta com a finalidade de eliminar o desconforto existente na contagem imaginária do tempo de torqueamento realizado pelo operador, o que causa inconformidades entre parafusamentos. O protótipo dará qualidade superior ao processo com a instalação de filtro eliminador de sujidades, regulador de pressão para ajuste de torque e lubrificador para proteção de rotor, engrenagens e rolamentos, propiciando maior durabilidade e funcionamento adequado à ferramenta. Para controle do tempo de torqueamento e demais variáveis será utilizado um microcontrolador, e com auxílio de uma interface homem-máquina (IHM) serão configurados dados de tempo, tipos de parafusos, quantidade entre outros, automatizando o sistema. A economia de energia elétrica e melhora da qualidade, produtividade e segurança são itens de relevância para o melhoramento do bem-estar do operador assim como a padronização do processo. Palavras-chave: Parafusamento pneumático. Torqueamento. Sistema microcontrolado.

Abstract – The project goal is to develop a controlling air unit aimed at improving the process of screwing with pneumatic tools. Based on principles of pneumatic and electronic equipment will be located between the air line and the tool in order to eliminate discomfort in the existing imaginary torquing time count performed by the operator, causing nonconformity of tightenings. The prototype will assign superior to the process with the eliminator filter installation of dirt, throttle for torque adjustment and lubricator for rotor protection, gears and bearings, providing greater durability and proper functioning of the tool. To control the torquing of time and other variables a microcontroller is used, and with the aid of a human-machine interface (HMI) will be set time data, types of screws, quantity etc. by automating the system. The savings in electricity and improved quality, productivity and security are important items to improve worker well-being as well as the standardization of the process. Keyword: Pneumatic screwing. Torquing. Microcontrolled system.

1 Alunos do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial – FATEC Garça 2 Docente da FATEC - Garça

3

1 INTRODUÇÃO

As inovações tecnológicas são cada vez mais enfatizadas nas grandes

empresas de manufatura e com isso as melhorias na produtividade, qualidade e

segurança se fazem necessárias. No processo de montagem de máquinas e

equipamentos são utilizadas parafusadeiras pneumáticas manuais cuja operação

apresenta total dependência do operador no controle do tempo de torqueamento,

que é feito intuitivamente, ocasionando grande variação entre um parafusamento e

outro. Além disso, nem sempre o ar comprimido que chega às ferramentas é

regulado na pressão correta, filtrado ou lubrificado, ocasionando funcionamento

inadequado e desperdício de ar. A produtividade também fica comprometida por

parte do operador que disponibilizará muito tempo para conseguir uma padronização

aceitável.

Analisando os fatores deficitários do parafusamento pneumático manual, foi

elaborado um protótipo que consiste na leitura do fluxo de ar comprimido fornecido à

ferramenta e por meio de informações inseridas numa interface homem-máquina

(IHM) foi pré-estabelecido um tempo de parafusamento correto e seguro para cada

tipo e comprimento de parafuso.

Em uma indústria com variedades de produtos que utilizam parafusos de

diversas especificações, pré-definir eletronicamente o tempo de torqueamento

melhora a postura ergonômica do operador permitindo maior rendimento e

diminuindo o desgaste físico e mental eliminando o esforço, imperceptível, de

contagem do tempo de torqueamento. E pelo aspecto da qualidade, o sistema

permitirá a padronização de torque, o que implica num aumento na produtividade.

1.1 JUSTIFICATIVA

O trabalho de pesquisa é relevante porque contribuirá para o melhoramento

na qualidade do produto, na produtividade e na segurança dos operadores,

atenuando fatores que oneram o custo de produção das empresas, como por

exemplo, o uso excessivo e desnecessário de energia elétrica, que nesse caso é

utilizada por compressores para gerar ar comprimido.

4

1.2 OBJETIVO GERAL

Minimizar dificuldades no parafusamento pneumático referente ao tempo de

torqueamento e auxiliar o operador a alcançar uma padronização ideal nos

parafusamentos, além de desenvolver um equipamento capaz de solucionar os

problemas ergonômicos.

1.3 OBJETIVOS ESPECIFICOS

Criar uma unidade intermediária entre a linha de ar de uma empresa e a

ferramenta pneumática composta por filtro de ar, regulador de ar, lubrificador,

manômetro, temporizador, medidor de vazão, microcontrolador, painel com IHM,

válvula solenoide, alarme sonoro, luzes de aviso que juntos farão o controle de

pressão, vazão, tempo de aperto pré-determinado para que todos os parafusos

daquele conjunto tenham o mesmo torque, resolvendo os seguintes problemas:

- A dificuldade do operador em padronizar a qualidade do parafusamento durante

sua jornada diária de trabalho.

- O uso desnecessário de ar comprimido.

- Padronizar mecanicamente a qualidade do trabalho.

- Desgaste desnecessário do operador em calcular mentalmente o tempo do

processo.

- Tempo de preparação entre um parafusamento ao outro com a despreocupação do

operador na finalização do processo anterior, liberando-o para prever o próximo

passo.

- Falta de filtragem, regulagem de pressão e lubrificação do ar que proporcionaria

um funcionamento inadequado e pouca durabilidade das ferramentas pneumáticas.

1.4 OBSTÁCULOS A SEREM RESOLVIDOS

Os principais são:

- Após o tempo de parafusamento uma luz verde sinalizará a finalização da

tarefa e o fluxo de ar será interrompido para que não haja tempo de aperto

desnecessário e desperdício de ar;

5

- Se o operador interromper o processo durante o tempo pré-determinado, um

alarme deverá soar indicando que a tarefa está incompleta;

- O tempo de parafusamento só deverá ser contabilizado após o corpo do

parafuso for percorrido pela porca e esta entrar em contato com a peça a ser

apertada;

- Após a tarefa ser concluída deverá conter um tempo hábil pré-definido para

que o fluxo de ar seja reestabelecido para o parafusamento seguinte.

1.5 HIPÓTISE

A ferramenta pneumática poderia ser usada em outras tarefas e nesse caso

seria necessário um novo set-up.

1.6 METODOLOGIA

Desenvolvimento de um protótipo experimental para verificar a viabilidade do

dispositivo proposto para a solução do problema de pesquisa apresentado.

2 DESENVOLVIMENTO

Para o desenvolvimento do protótipo, foi necessário um aprofundamento

teórico sobre o tema sistemas de controle com IHM, confrontando a utilização do

CLP com o microcontrolador.

2.1 REFERENCIAIS TEÓRICOS

2.1.1 Microcontroladores

Os Microcontroladores são dispositivos computacionais inseridos em um

único encapsulamento.

Como afirma Junior (2013,p.12), a principal característica que faz do

microcontrolador um importante componente em projetos e fabricação de

dispositivos eletrônicos dos mais diversos tipo, está em reunir em um só

capsulamento (chip), todos os periféricos necessários para o controle do sistema

logico do projeto.

Embora o funcionamento do microcontrolador gire em torno de uma

frequência de clock de alguns MHz, o que é baixo comparado aos

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microprocessadores atuais, sua utilização é apropriado para situações típicas, pois

possui um baixo consumo de energia, algo em torno de miliwats, que pode ser

reduzido ainda mais com a capacidade de hibernar (Sleep), enquanto aguarda o

acontecimento de algum evento que o colocará em funcionamento novamente. De

acordo com Ordonez (2005,p.29), modo sleep é uma particularidade que o

microcontrolador possui, que oferece uma maneira de operar diminuindo o consumo

de energia do chip. Atuando neste modo, o consumo típico do microcontrolador é

menor que 1µA (microampère, unidade de fluxo elétrico). Mesmo nesse consumo

mínimo, o microcontrolador é capaz de monitorar eventos em determinadas portas

de E/S (entrada ou saída), além de receber e tratar interrupções.

Com a capacidade que o microcontrolador tem de facilitar o controle dos

processos ainda é necessário desenvolver além do programa que irá conter as

instruções para controlar determinados processos do protótipo, uma função que será

responsável por gerar uma interrupção interna para a contagem do tempo de

torqueamento da parafusadeira.

De acordo com Borges (2008,p.17), as interrupções são desvios condicionais

efetuados pelo programa em função da ocorrência de um fenômeno prioritário

ocorrido em um determinado instante, o qual poderá ser executado rapidamente

fazendo parecer que o programa principal não tenha sido parado para sua

execução.

Existe uma ampla gama de modelos de microcontroladores e vários

fabricantes, em que se destacam a Microchip e a Atmel, ambas possuem modelos

de microcontroladores que se encaixam adequadamente as necessidades do

sistema de controle do protótipo. Dentre tantos foi escolhido o microcontrolador AVR

da serie Atmega328P da Atmel para comparar com os CLPs.

2.1.2 Controlador Lógico Programável (CLP)

O CLP é um componente imprescindível em indústrias com máquinas e

dispositivos automatizados. Na década de 1970, com a introdução dos

microprocessadores, sua capacidade de controle aumentou ainda mais fazendo de

sua utilização um item de extrema praticidade, diminuindo o espaço físico utilizado

na caixa de comando. Outro ponto favorável é a facilidade de comunicação com as

portas de saída que geralmente são feitas diretamente em tensão de 24 VDC com

7

corrente suficiente para alimentar válvulas solenoides e até motores sem o uso de

relés e contactoras. A construção robusta e resistente faz com que a durabilidade do

CLP seja grande a ponto de não ser considerado um equipamento descartável,

sendo item de estoque para possíveis trocas em manutenções e reutilização para

instalações futuras.

Apesar dos pontos favoráveis, pesam contra, itens como o custo e o espaço

que ocupam, ainda que devido a fatores tecnológicos, cada vez mais miniaturizados.

2.1.3 Estudos Comparativos

Analisando ambas as tecnologias, chegou-se à conclusão de que a melhor

opção é o microcontrolador por seu baixo custo perante o CLP e por possuir uma

grande quantidade de modelos com várias portas de entradas e saídas

possibilitando reduzir o custo do protótipo, o que não se consegue com CLP, por ser

caro e possuir alguns modelos complexos em sua configuração além de ser pouco

portátil e prático devido ao tamanho.

2.2 METODOLOGIA DO PROTÓTIPO

2.2.1 Principio de funcionamento

Cada parafusadeira pneumática tem uma vazão de ar característica com e

sem carga, quer dizer, o consumo de ar no momento em que a ferramenta está

transportando a porca pelo corpo do parafuso de encontro às peças a serem

apertadas tem um valor 1 e o consumo após o encontro das porcas com as peças é

1-x. Através de um sensor medidor de vazão, o fluxo é mapeado e a partir dessa

mudança é contado um tempo pré-determinado de parafusamento suficiente para a

conclusão da tarefa quando o fluxo de ar é interrompido através de uma válvula

solenoide. Para isso foi montado um circuito que terá como componente principal um

microcontrolador interligado a um IHM para que as condições possam ser

configuradas pelo responsável do aparelho. Após um determinado tempo, que

também será definido previamente, o fluxo de ar deverá ser reestabelecido para que

se possa dar continuidade ao trabalho.

8

2.2.2 Montagem do sistema pneumático

O circuito pneumático contém 1 filtro de ar, 1 regulador de pressão com

manômetro e 1 lubrificador, montados nessa sequência, apresentada na figura 1. O

filtro de ar tem a incumbência de retirar toda sujidade que possa ser trazida através

dos dutos de ar, enquanto o regulador de ar estabiliza a pressão da rede para uma

pressão adequada ao equipamento utilizado e o lubrificador aplica a quantidade

necessária de lubrificantes para fornecer ao equipamento um funcionamento melhor.

Figura 1- Bloco Modular (Filtro, Regulador e Lubrificante).

Fonte: SMC (2015).

No bloco modular foi instalado um sensor de vazão digital onde são

detectadas as variações do fluxo de ar que em formato digital são enviadas ao

microcontrolador que realiza os cálculos necessários para a contagem dos tempos

de parafusamento e reestabelecimento do ar, após o termino do trabalho e em

seguida foi instalada a válvula solenoide que interromperá o fluxo após o trabalho

concluído.

2.2.3 Sistema Microcontrolado

Para o controle e tratamento das informações enviadas pelo sensor de vazão

da unidade, determinou-se por meio de pesquisas de viabilidades a utilização de um

microcontrolador AVR Atmega328P da fabricante Atmel.

Filtro de Ar Lubrificante

Regulador

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O microcontrolador Atmega328P se caracteriza por ter 28 pinos e fornecer 20

terminais de entrada ou saída (I/O), que possuem vários tipos de funções, tais como,

conversor analógico para digital (A/D), modulação por largura de pulso (PWM) entre

outras.

Com os componentes necessários para a montagem do sistema de controle,

iniciou-se a construção do circuito eletrônico do protótipo.

Foi desenvolvido primeiramente um esquema elétrico no software Proteus 7

Isis dos circuitos de controle e acionamento de potência.

Concluído o esquema eletrônico do sistema de controle, foi utilizado o Proteus

7 Ares para projetar o layout das placas. A disposição dos componentes nas placas

de fenolite podem ser previamente visualizadas com as dimensões necessárias para

a confecção, conforme mostra figura 2.

Figura 2 - Layout do circuito e ilustração parcial das placas.

Fonte: Os autores.

Com os arquivos gerados no desenvolvimento dos circuitos foram

confeccionadas as placas utilizando várias ferramentas, desde ferro de solda até

ferramentas de medições de grandezas elétricas.

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Para gerar trilhas, furações de fixação dos componentes e o recorte da placa,

foi utilizado um CNC ROUTER com o software ArtCAM 2008 que converte os

arquivos desenvolvidos para o código G utilizado para o fresamento dos percursos,

conforme figura 3.

Figura 3 - Processo de usinagem pela CNC ROUTER.

Fonte: Os autores.

A figura 4 mostra a placa de controle do sistema juntamente com a placa

shield de barramento e o banco de relé.

Figura 4 - Placas de Controle, placa shield de barramento e o Banco de Relé.

Fonte: Os autores.

A montagem e a conexão entre as placas são feitas por encaixe e por

jumpers (fios com terminais macho- fêmea). A placa shield foi encaixada sobre a

placa de controle formando um sanduiche que diminuiu a quantidade de fios e o

espaço a ser utilizado. A conexão com a placa de potencia foi feita com cinco fios

jumpers, onde dois fios fornecem energia para o microcontrolador e os outros três

são para controlar os três relés de potência.

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2.2.4 Sistema de Display 20x4 com o Circuito Integrado PCF8574

Foi utilizado um display de LCD 20x4 com um circuito integrado expansor de

porta já embutido que facilita a montagem do IHM, pois já está configurado,

conforme figura 5.

Figura 5 - Display LCD 20x4 com o Modulo Expansão PCF8574.

Fonte: Os autores.

Esse modelo de display possui um circuito integrado que faz a comunicação

entre o microcontrolador e o display através de dois terminais que são conectadas

as portas do microcontrolador, os quais são dedicados para o protocolo de

comunicação i2c (Inter-integrated-circuit). A principal característica do CI pcf8574 é o

fato dele utilizar duas portas para se comunicar com o microcontrolador e fornecer

mais oito portas de entrada ou saída, ou seja, o pcf8574 de 8 bits expande as portas

do microcontrolador.

2.2.5 Fluxostato

O sensor de fluxo é um equipamento regulável, que permite configurar a faixa

de vazão do ar desejada para determinadas ações e, detectar a queda de vazão do

ar quando do encontro da porca com a peça a ser torqueada enviando um sinal

digital para o sistema de controle. O modelo mostrado na figura 6 atende às

necessidades do protótipo sem aumentar custo.

Modulo Expansor

12

Figura 6 - Fluxostato de embolo.

Fonte: ICOS (2015).

O elemento sensorial que detecta o avanço do embolo é um reed switch

(chave magnética). O embolo é constituído de uma parte de metal e outra de imã,

que será detectado pelo sensor.

2.2.6 Parafusadeira Pneumática

São ferramentas anatômicas com designes modernos, com vantagens em

relação às elétricas, tais como, não causar choques elétricos e vibrações,

possibilitando maior rendimento no torqueamento manual de parafusos. Na figura 7,

são mostrados 2 exemplos de parafusadeira.

Figura 7- Modelos de parafusadeiras.

Fonte: Casa da Ferramenta (2015).

As parafusadeiras podem ser em L ou retas dependendo da utilização ou

tamanhos diferentes para faixas de torques necessárias.

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2.2.7 Esquema de Ligação dos Equipamentos

Esquema de ligação dos equipamentos demonstra a ordem de cada

componente de acordo com o fluxo de ar, conforme figura 8.

Figura 8 - Esquema de ligação entre equipamentos.

Fonte: Os autores.

O esquema é a ordem necessária para o funcionamento adequado da

parafusadeira. Os componentes do sistema foram montados dentro de uma única

caixa, com o painel de controle na parte frontal (botões, IHM etc.).

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2.3 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Os objetivos propostos foram alcançados e os resultados obtidos nos testes

mecânico e de programação o protótipo correspondeu às expectativas.

Melhorou as condições de uso (ergonomia), otimizou suas funções,

economizando energia e consequentemente a qualidade dos produtos.

A aparência final do protótipo foi desenhada no software Inventor da

Autodesk, conforme figura 9.

Figura 9 – Desenho do protótipo no software Inventor.

Fonte: Os autores.

A linhas e furos feitos em chapa de aço inoxidável 304 de 2,5 mm de

espessura foram desenhados no software Autocad mecanical da Autdesk

foram cortados a laser em máquina CNC, montadas e soldadas em TIG

dando a aparência final ao protótipo.

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REFERÊNCIAS

BORGES, Geovany A.. et al. Desenvolvimento com microcontrolador Atmel

AVR. 2008. 38 f. Trabalho técnico para auxiliar iniciantes em desenvolvimento de

projetos com microcontroladores (Engenharia Elétrica) - Universidade de Brasília,

UnB, 2010. Disponível em: <http://lara.unb.br/~gaborges/recursos/notas/nt.avr.pdf>.

Acesso em: 21 outubro 2015.

JUNIOR, Vidal Pereira da Silva. Microcontroladores pic 16F E 18F – teoria e

pratica. 1. ed. São Paulo: Editora Newton C. Braga, 2013.

ORDONEZ, Edward David Moreno. et al. Microcontroladores e fpgas aplicações

em automação. São Paulo: Novatec Editora LTDA, 2005.