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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Julio Julinho Marcondes
de Moura”
CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
BRUNO BERNARDO LOPES
LEONARDO ALEXANDRE DA SILVA
POSICIONADOR DE GARRAFAS ELETROPNEUMÁTICO
GARÇA
2018
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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de
Moura”
CURSO TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
BRUNO BERNARDO LOPES
LEONARDO ALEXANDRE DA SILVA
PROJETO POSICIONADOR DE GARRAFAS ELETROPNEUMÁTICO
Trabalho de Conclusão de Curso, requisito para graduação de tecnológo em Mecatrônica Industrial, da Faculdade de Tecnologia “Dep. Julio Julinho Marcondes de Moura”, avaliado pela seguinte comissão de professores. Data de Aprovação: / / _______________________________ Prof. Ma. Maria Alda Barbosa Cabreira Fatec-Garça _______________________________ Prof. Espec. Pedro Augusto da Cunha
Fatec-Garça ________________________________
Prof. Dr. Marcos Vinicius Bueno de Morais Fatec-Garça
GARÇA 2018
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POSICIONADOR DE GARRAFAS ELETROPNEUMÁTICO
Bruno Bernardo Lopes¹ [email protected]
Leonardo Alexandre da Silva [email protected]
Profª Ma. Maria Alda Barbosa Cabreira²
Resumo – A escolha do tema para realização do trabalho de pesquisa encontra-se no contexto da mecatrônica industrial, por contemplar a mecânica na parte estrutural e a eletrônica na programação em CLP e válvulas eletropneumáticas. O objetivo da pesquisa é demonstrar a aplicação da mecatrônica na construção de robôs para automação dos meios industriais, no segmento de bebidas. O trabalho está fundamentado em leituras de fontes qualitativas e atuais pertinentes ao tema. Como metodologia, a construção de um protótipo, um experimento para verificar se a prática encontra-se condizente com a teoria, e como ambas foram contempladas no decorrer do curso. Essas questões refletem a relevância do tema escolhido, do ponto de vista social por atender aos pequenos e médios empresários, em economia de tempo e custos, e na parte acadêmica agregando mais conhecimento sobre. Palavras Chaves: Automação Industrial. Controlador Lógico Programável (CLP). Posicionador Robótico.
Abstract - The choice of theme to carry out the research work is in the context of electronics in PLC programming and electropneumatic valves. The objective of the research is to demonstrate the application of mechatronics in the construction of robots for automation of the industrial environments, in the beverage segment. The work is based on readings of qualitative and current sources pertinent to the theme. As a methodology, the construction of a prototype, an experiment to verify if the practice is consistent with the theory, and how both were contemplated during the course. These issues reflect the relevance of the chosen theme, from the social point of view to attend to small and medium entrepreneurs, in saving time and costs, and in the academic part by adding more knowledge about. Keywords: Industrial Action. Programmable Logic Controller (PLC). Robotic Positioner.
1. INTRODUÇÃO
A automação é uma tecnologia presente nos diferentes países, porém ainda
não se encontra universalizada, pois os pequenos e médios empresários encontram
dificuldades econômicas para a implementação, por ser ainda uma tecnologia cara,
demanda mão-de-obra qualificada e falta vontade política de investimentos.
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O tema escolhido para a pesquisa tem como objeto de estudo a evolução dos
meios industriais, via automação, objetivando maior produtividade e qualidade,
redução de tempo e custos.
Com base em pesquisas recentes (ONU, 2012), diz que aproximadamente 85
mil robôs são introduzidos anualmente nas indústrias em todo o mundo. Estima-se
que existem mais de 800 mil robôs exercendo o trabalho que poderia empregar
aproximadamente dois milhões de pessoas. Esse processo é motivado por diversos
fatores, um deles é a maximização da produção, pois a utilização de robôs pode
quadruplicar a produção em determinados segmentos industriais.
Para Santos (2018), os empresários da indústria não encontram apoio do
governo brasileiro, o qual não tem priorizado investimentos em automação industrial.
A justificativa tem sido a instabilidade econômica que o país vem passando, mas na
verdade, é a falta de visão do cenário futuro e vontade política, pois o governo optou
pela indústria de bens primários, como as comodities1, o que tem provocado o
retardamento em desenvolvimento, desemprego, dependência e fuga de mão-de-obra
qualificada.
Segundo Santos (2018), os empresários que enfrentam a situação e investem
em automação industrial e na retração de talentos técnicos em automação e
instrumentação industrial, vem se destacando no mercado nacional e com
possibilidades de competir no internacional.
As questões pertinentes à atualidade e o desenvolvimento de novas
tecnologias, como a robótica, refletem a evolução nos meios industriais em grande
escala, o que proporciona maior agilidade e maior capacidade de produção.
1.1 O trabalho de pesquisa objetiva é identificar:
Os problemas existentes nas indústrias produtoras de bebidas, no setor de
classificação, como o deslocamento para encaixotar e posicionar ainda por
1 As commodities são produtos que funcionam como matéria-prima, produzidos em
escala e que podem ser estocados sem perda de qualidade, como petróleo, suco de laranja congelado, boi gordo, café, soja e ouro - https://www.tororadar.com.br/blog/commodities-o-que-e-significado (2016).
5
procedimento manual e vagaroso, o que implica em perda de tempo, aumento de
custos por demandar mais mão-de-obra e falta de segurança.
1.2 Objetivo específico
Desenvolver um posicionador de garrafas, com três graus de liberdade XYZ,
em que o posicionamento será realizado por um dispositivo robótico, com pistões e
válvulas acionadas por solenoide, comprimido e Controlador Lógico Programável
(CLP), com apoio dos recursos tecnológicos da mecatrônica (mecânica, eletrônica e
programação), para automação do processo industrial, otimizando custos, tempo e
mão-de-obra.
Controlar os movimentos por meio dos comandos do programa, os quais irão
acionar as válvulas eletropneumáticas, permitindo a passagem do ar comprimido,
acionando os pistões pneumáticos e executando o trabalho de posicionamento das
garrafas, para verificar o funcionamento correto do posicionador.
Disponibilizar melhores condições de trabalho às pessoas, aumentando a
segurança, eliminando operações que seriam praticamente impossíveis de controlar
intelectualmente ou manualmente, evitando assim trabalhos perigosos.
Segundo Silveira (2018), os objetivos da Automação Industrial é criar
mecanismos que sejam capazes de produzir o melhor produto com o menor custo.
Alguns objetivos que devem ser buscados nos projetos de automação industrial são:
Melhorar a produtividade de uma empresa aumentando o número de itens produzidos
por hora de forma a reduzir os custos de produção e aumentar a qualidade.
1.3 Metodologia
A metodologia utilizada consiste na construção de um protótipo para
demonstrar se a teoria que fundamenta o trabalho, por meio da revisão bibliográfica,
se faz presente e a possibilidade de facilitar a aplicação no segmento industrial de
encaixotamento de bebidas.
2. Desenvolvimento: procedimentos teórico- metodológico
Os procedimentos teóricos serão realizados por meio de leituras de livros e
periódicos pertinentes aos conteúdos trabalhados durante o curso, disponíveis nos
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meios eletrônicos e físicos, os quais irão fundamentar as discussões e reflexões
durante a elaboração e construção do trabalho de conclusão de curso.
2.1 Revisão Bibliográfica
Os conceitos trabalhados no desenvolvimento da pesquisa terão como base o
conhecimento adquirido no decorrer do curso, em programação e pneumática
desenvolvidas nas disciplinas Automação Industrial e Sistemas Hidráulico e
Pneumático. A fundamentação teórica será adquirida por meio da revisão
bibliográfica, apoiada em leituras de autores vinculados à Mecatrônica e respeitados
no meio acadêmico, a qual dará suporte às discussões e reflexões sobre o
desenvolvimento do tema escolhido.
Para Silveira (2018), as bases da automação industrial estão atreladas ao
automatismo na indústria e aos componentes principais de um sistema automatizado
e sua aplicabilidade.
Segundo Silveira (2018), a evolução em ciência e tecnologia tem se constituído
no “combustível” que movimenta o Planeta, principalmente na segunda metade do
século XX e prossegue no XXI, por meio de investimentos aplicados em alguns países
responsáveis pelos avanços quantitativos e qualitativos no processo que envolve o
planejamento, a produção e distribuição dos produtos. Porém, ainda são poucos os
países que têm participado desses investimentos, o que confere ainda muita
desigualdade em termos de competição no mercado.
Neste contexto, encontra-se a quarta revolução industrial ou Indústria 4.0,
conhecida como Manufatura Avançada, a qual objetiva ”conectar máquinas, sistemas
e pessoas ao processo produtivo, englobando uma série de inovações tecnológicas
voltadas aos processos de manufatura e automação, assim como as formas de
controle e aplicação da tecnologia da informação” (FISPAL, 2017).
Segundo a Federação Internacional de Robótica (IFR, 2010), a automação
industrial encontra-se cada vez mais utilizada na indústria 4.0, tecnologia
imprescindivel para dinamizar o processo produtivo, com foco na robótica, o que tem
proporcionado resultados qualitativos. No cenário internacional, destacam-se os
países que vêm despontando como referência na aplicação da robótica no setor
industrial, conforme gráfico 01.
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Gráfico 01 - Ranking dos 10 países mais robotizados do mundo.
F Fonte :IFR (2010).
De acordo com o exposto, o Japão lidera a lista dos países mais robotizados
do mundo, com 306 robôs para cada 10 mil trabalhadores em 2010, seguido pela
Coreia do Sul e a Alemanha, com densidades de 287 e 253 robôs, respectivamente
(SALIM, 2010).
Segundo Salim (2010), a quantidade de máquinas nos três primeiros países do
ranking chama a atenção, mas nem todas as geografias avançam no mesmo ritmo. A
média entre os 45 países pesquisados pela Federação Internacional de Robótica (IFR)
foi de 51 robôs para cada 10 mil trabalhadores em 2010. Enquanto 20 destas nações
ficaram acima desta linha, outras 22 nem sequer chegaram à metade, ficando abaixo
da densidade de 20 robôs para cada 10 mil trabalhadores.
O Brasil aparece na 37ª posição no ranking, atrás de países como Tailândia
(26ª), África do Sul (28ª), México (32ª), Indonésia (34ª) e Argentina (36ª). Apesar do
forte crescimento de 7,5% no Produto Interno Bruto (PIB), o Brasil ainda tem
densidade inferior a 10 robôs para cada 10 mil trabalhadores, apontando que a
indústria nacional ainda deve se modernizar para elevar a competitividade e a
produtividade a nível global (SALIM, 2010).
Segundo a IFR (2010), foram vendidas 118 mil unidades de robôs industriais
no mundo todo no ano de 2010, com as vendas totalizando 5,7 bilhões de dólares. A
cifra é 47% superior em relação às 60 mil unidades vendidas em 2009, e foi
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impulsionada pela recuperação da economia global após o pior período da crise
financeira nos Estados Unidos.
Ainda de acordo com a IFR (2010), o montante não inclui gastos com softwares,
periféricos e engenharia de sistemas. Adicionando estes custos, o valor de mercado
para a indústria de robótica global triplica para 18 bilhões de dólares em 2010. Desde
a década de 1960, a indústria de robótica já vendeu no total 2,142 milhões de
unidades. O número parece pequeno, mas é importante observar que cada robô pode
representar uma fábrica em termos de produção. Tudo o que é necessário é energia
e um bom software.
Conforme Santos (2018), o Brasil justifica que parou de investir em automação
industrial por receio dos empresários da indústria, os quais sinalizavam um medo
quanto a investimentos na área de automação industrial, devido à instabilidade
econômica que o Brasil apresentava. Este receio, na verdade, está atrelado à falta de
visão do cenário para os próximos anos e falta de vontade política para investimentos
no setor, não na justificativa apontada.
Nesse contexto, o Brasil precisa evoluir em pesquisas, para entender que um
país que fica esperando os avanços em ciência e tecnologias, sem planejamento e
investimentos, ele não decola no processo e ficará sempre marginalizado em relação
aos que estão atentos e acreditam que este seja o caminho.
O trabalho em questão, preocupado com a situação exposta, focou na
possibilidade da implementação de sistemas de automação industrial, o qual
encontra-se presente no setor de bebidas, como o posicionador de garrafas
eletropneumático, proporcionando condições para competir no mercado, com a
reinvenção de novas técnicas, as quais aumentam a efetividade e minimizam o
desperdício, oportunizando melhorias durante todo o processo produtivo.
Para realizar a automação do posicionador de garrafas eletropneumático, será
desenvolvida uma lógica de programação no CLP em Ladder, para que os
movimentos a serem realizados pelo posicionador estejam intertravados em relação
às válvulas eletropneumáticas e os pistões pneumáticos.
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Figura 02 – Demonstração da programação em Ladder.
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11
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Fonte: Os autores (2018).
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De acordo com Asada e Slotine (1986), para se projetar um manipulador
robótico e desenvolver um algoritmo de controle eficaz, se faz necessário entender
com precisão, como dada tarefa deve ser realizada e quais movimentos o robô deve
ser capaz de realizar.
Para tanto, as tecnologias pontuadas vão se apropriar do uso dos mecanismos
eletroeletrônicos e programação, para que o produto seja eficaz, em condições de
competir no mercado.
2.2 Metodologia do Protótipo Mecatrônico
A metodologia utilizada no trabalho se constitui na realização de um protótipo,
um experimento para a demonstração da aplicabilidade e o funcionamento de um
posicionador com acionamento pneumático.
O protótipo inicialmente foi instalado em uma estrutura mecânica de
sustentação e suporte para montagem dos componentes eletrônicos e pneumáticos,
responsáveis pela realização dos movimentos e posicionamento, onde serão fixadas
as válvulas, os pistões pneumáticos com sensores fim de curso, para delimitar o
movimento e a fixação de botões para acionar, ligar ou desligar o equipamento.
As ferramentas utilizadas para construção do protótipo terão como base,
programação e pneumática desenvolvidas nas disciplinas Automação Industrial e
Sistemas Hidráulico e Pneumático, conforme figura 03.
Figura 03 – Demonstração do protótipo.
Fonte: Os autores (2018).
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Segundo Bertoldi e Barbieri (2017), o sistema automatizado industrial se
constitui em um procedimento mediante o qual as tarefas de produção que são
realizadas por operadores humanos são transferidas a um conjunto de elementos
tecnológicos, levando-se em consideração possíveis eventualidades que possam
ocorrer mantendo sempre a segurança e a qualidade.
Os segmentos de produção industrial, geração e distribuição de energia,
transportes e muitos outros requerem cada vez mais um número crescente de novos
sistemas e máquinas automatizadas. Isto se deve ao aumento da produção, aos
custos mais baixos de componentes de automação e máquinas, a qualidade e
estabilidade de novos produtos e à necessidade de substituir trabalhos perigosos e
monótonos dos operadores.
Os sistemas automatizados eram mais fechados, os quais controlavam
individualmente cada processo de uma instalação, mas com o passar do tempo, estes
sistemas passaram a ser abertos com capacidade de abranger mais processos de
forma a aperfeiçoar o funcionamento de toda a planta industrial, diminuindo o tempo
e os custos. Atualmente, um sistema automatizado é composto por 2 partes principais:
A operacional na automação industrial é uma parte do sistema que atua
diretamente no processo e é um conjunto de elementos que faz com que a máquina
se movimente e realize a operação desejada. Estes elementos que formam a parte
operacional são os dispositivos de acionamento e pré-acionamento como: motores,
cilindros, compressores, válvulas, pistões e também dispositivos de detecção como
sensor indutivo, sensor capacitivo, sensor ultrassônico, etc.
Já a parte de controle é a programável do sistema que geralmente é
implementada com o auxilio do CLP. No passado, esta lógica era feita com relês
eletromagnéticos, temporizadores, placas eletrônicas e módulos lógicos. Atualmente,
com o aumento do volume de dados e componentes eletrônicos, o mais comum é o
emprego do CLP e computadores industriais para o controle de máquinas e
processos. O CLP é considerado o cérebro na automação industrial, pois ele é capaz
de se comunicar com todos os componentes do sistema, de forma a reconhecer as
entradas, processar a lógica e atualizar as saídas a todo momento, fazendo com que
o equipamento realize suas operações desejadas e programadas.
Assim como o ser humano necessita dos sentidos para perceber o que está
acontecendo à sua volta, na automação industrial, as máquinas precisam de sensores
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e transdutores para captarem as informações. Além de captarem variáveis, os
sensores junto aos demais componentes eletrônicos que compõem o equipamento no
qual trabalham em conjunto faz com que a máquina funcione perfeitamente. Os
componentes, portanto devem ser capazes de distinguir a variação de certas
magnitudes do sistema e o próprio estado físico de outros componentes.
Os dispositivos encarregados de converter as magnitudes físicas em elétricas
são denominados transdutores. Vale lembrar que, a diferença entre sensor e
transdutor é que o sensor detecta uma variação no meio e o transdutor converte a
variação em magnitude elétrica. Assim, pode-se dizer que muitos sensores
atualmente também são transdutores, mas nem todos os transdutores são sensores.
De acordo com Silveira (2018), CLP ou controlador lógico programável é um
tipo especial de computador muito utilizado na indústria, mas também em controles
de máquinas e processos em diferentes aplicações. Sendo um computador, este
dispositivo compartilha termos comuns de um PC, pois ele é composto por uma
Central Processing Unit ou processador (CPU), memória de leitura e gravação
(memória RAM), memória de apenas leitura (ROM) e também portas de comunicação
(COM).
Com relação às similaridades com um PC, a principal diferença é que um CLP
foi projetado para trabalhar em condições industriais extremas e ambientes
agressivos, de forma a suportar poeira, temperaturas e vibrações. O CLP também
possui a característica de ser flexível e possibilita a inserção de módulos de entradas
e saídas ou comunicação para diferentes aplicações, permitindo a interface com
vários dispositivos de chão de fábrica.
De acordo com as colocações, o protótipo encontra-se estruturado em etapas:
Inicialmente foi realizada a construção da parte estrutural mecânica do protótipo, onde
foram instaladas as válvulas pneumáticas, atuadores, sensores, instalação
eletroeletrônica e o CLP. Posteriormente foi realizado a logica de programação, para
determinar os movimentos a ser realizado pelo posicionador.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O desenvolvimento do estudo realizado sobre a mecatrônica industrial e os
meios de automação industrial, possibilitou o desenvolvimento do trabalho de
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conclusão de curso, tendo como principal objetivo, demonstrar a aplicabilidade do uso
da mecatrônica contemplando os assuntos teóricos com a prática.
Os objetivos foram alcançados e o protótipo construído obteve bom
funcionamento. Mas, para a aplicação de manipuladores pneumáticos na indústria,
deve utilizar componentes mais robustos, que possibilitam maior confiabilidade e
precisão no processo, porém com custos mais elevados. No entanto, o manipulador
opera com excelente rendimento.
Para que o projeto possa desenvolver seu papel no ambiente fabril, será
necessária a adequação dos componentes para obtenção de melhores resultados no
âmbito industrial.
De acordo com o protótipo desenvolvido, pode-se obter os resultados
esperados no qual o manipulador através da lógica de programação desenvolvida e a
montagem dos componentes de funcionamento do manipulador, foi possível se
alcançar o êxito dos movimentos a serem realizados, comprovando os estudos
teóricos.
REFERÊNCIAS
ASADA, Haruhiko; SLOTINE, Jean Jacques. Robot Analysis and control, Wiley-
Intercience, John Wiley e Sons, New York,1986.
BERTOLDI, Everton; BERTOLDI, Evandro; BARBIERI, Nara. MODELAGEM
CINEMÁTICA DE ROBÔ INDUSTRIAL. Disponível em:<
http://www.conemi.org.br/download/TT28_XIV_CONEMI-002.pdf> Acesso em: 05 out.
de 2017.
FISPAL. Industria 4.0. Disponível em: <https://www.fispaltecnologia.
com.br/pt/atracoes/industria-40-alimentos-e-bebidas.html> Acesso em: 06 jan. de
2017.
IFR, Federação Internacional de Robótica. Os 10 países mais robotizados do
mundo. Disponível em: <http://mutualinternational.blogspot.com/2012/01/?m=0>
Acesso em: 07 jan. de 2010.
ONU, Organização das Nações Unidas. A importância da robótica em uma
indústria. Disponível em: < http://blog.cimautomacao.com.br/importancia-da-
robotica-em-uma-industria/> Acesso em: 15 jan. de 2012.
SALIM, Marcel. Os 10 países mais robotizados do mundo. Disponível em:<
https://exame.abril.com.br/economia/os-10-paises-mais-robotizados-do-mundo/>
Acesso em: 02 jan. de 2010.
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SANTOS, Guilherme. Por que o Brasil parou de investir em automação Industrial?. Disponível em:< https://www.automacaoindustrial.info/por-que-o-brasil-parou-de-investir-em-automacao-industrial/> Acesso em: 05 jun. de 2018. SILVEIRA, Cristiano., Saiba Tudo Sobre CLP, Disponível em:<
https://www.citisystems.com.br/clp> Acesso em: 19 maio de 2018.
