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INMETRO Prêmio Nacional de Metrologia Contribuição para Melhoria dos Serviços Metrológicos AUTOMAÇÃO DO PROCESSO DE COMPARAÇÃO DE MASSAS Autores: Marcelo Motta Campello José Carlos Lana Hígor Alves Ferreira IPEM – MG CONTAGEM- MG 2º semestre 2006

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Page 1: INMETRO · melhor qualidade de trabalho para o metrologista além de um considerável aumento de produtividade. 7. ... Algumas destas peças são providas de rosca externa presas

INMETROPrêmio Nacional de Metrologia

Contribuição para Melhoria dos Serviços Metrológicos

AUTOMAÇÃO DO PROCESSO DE COMPARAÇÃO DE MASSAS

Autores:Marcelo Motta Campello

José Carlos Lana

Hígor Alves Ferreira

IPEM – MG

CONTAGEM- MG

2º semestre 2006

Page 2: INMETRO · melhor qualidade de trabalho para o metrologista além de um considerável aumento de produtividade. 7. ... Algumas destas peças são providas de rosca externa presas

INMETROPrêmio Nacional de Metrologia

Contribuição para Melhoria dos Serviços Metrológicos

AUTOMAÇÃO DO PROCESSO DE COMPARAÇÃO DE MASSAS

Projeto realizado pelo IPEM-MG para automatização de processo de comparação de massas

de 10, 20 e 50 kg destinado à erradicação de problemas ergonômicos.

IPEM – MG

SVLC – Serviço de Laboratório e Calibração

CONTAGEM - MG

2º semestre 2006

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Page 3: INMETRO · melhor qualidade de trabalho para o metrologista além de um considerável aumento de produtividade. 7. ... Algumas destas peças são providas de rosca externa presas

AGRADECIMENTOS Tadeu José de Mendonça

Diretor Geral IPEM-MG (Instituto de Pesos e Medidas de Minas Gerais);

José Luiz Foureaux de Souza

Diretor Técnico IPEM-MG (Instituto de Pesos e Medidas de Minas Gerais);

Francisco Ermelindo de Magalhães

Engenharia Elétrica – CEFET- MG

Alberto Toshio Shiotsuka

Call Office Serviços Metrológicos e Equipamentos de Precisão Ltda;

Luiz Henrique Paraguaçu

Dimci / INMETRO

Vítor M. Loayza Mendonza

Chefe do LAMAS (Laboratório de Massas - INMETRO);

Mauro Corrêa Fagundes

Chefe da DIMAS (Diretoria de Metrologia legal - INMETRO);

Rogério Barbosa dos Reis

Técnico da DIMAS (Diretoria de Metrologia legal - INMETRO);

Marcelo Castilho de Freitas

Tecnologista da DIMAS DIMEL (Diretoria de Metrologia legal - INMETRO);

Ricardo Santos Teixeira

Analista de Gestão em Metrologia e Qualidade (Serviço de Laboratório e Calibração –

IPEM-MG).

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LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1. Sistema de automação processo de comparação de massas.......................... 8FIGURA 2. Sistema de automação acompanhado das esteiras fixas laterais....................8FIGURA 3. Posições possíveis das esteiras móveis. ........................................................9FIGURA 4. Esquema de movimento dos objetos e dos pesos-padrão sobre as esteiras. 10FIGURA 5. Prato do sistema de automação...................................................................11FIGURA 6. Esteiras móveis............................................................................................ 12FIGURA 7. Suporte dos cilindros................................................................................... 13FIGURA 8. Diagrama esquemático de conexão dos cilindros pneumáticos...................14FIGURA 9. Esquema de conexão dos equipamentos para o controle dos cilindros pneumáticos..................................................................................................................... 15TABELA 1 emp conforme R111 OIML.................................................................... 16FIGURA 10. Diferença de altura entre o peso-padrão e o objeto................................... 17Limite de Peso Recomendado......................................................................................... 20

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LISTA DE TABELAS

TABELA 1. Relação de pesos e seus emp Classe E2..................................................... 16

TABELA 2. Cálculo dos coeficientes.............................................................................20

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SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS ...................................................................................................... 3 LISTA DE FIGURAS ....................................................................................................... 4 LISTA DE TABELAS ....................................................................................................... 4 RESUMO ........................................................................................................................... 7 DESCRIÇÃO ..................................................................................................................... 8

COMPONENTES DO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO ............................................. 11 Prato ......................................................................................................................... 11 Esteira móvel ........................................................................................................... 12 Suporte dos cilindros ............................................................................................... 13

COMANDO PLC DOS CILINDROS PNEUMÁTICOS ........................................... 13 METODOLOGIA ............................................................................................................ 16

Influência da Aceleração da Gravidade na Indicação da comparadora ....................... 16 Escolha do Material ..................................................................................................... 18

JUSTIFICATIVA ............................................................................................................ 19 Ergonomia ................................................................................................................... 19 Produtividade ............................................................................................................... 20

RESULTADOS ............................................................................................................... 21 AUTORES ....................................................................................................................... 22 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 23

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RESUMO

O Laboratório de Calibração de Massa do IPEM-MG calibra os instrumentos de

pesagem dos escritórios regionais de Uberlândia, Varginha, Juiz de Fora e Governador

Valadares, que servem prioritariamente às análises de produtos pré-medidos.

Atualmente a infra-estrutura permite uma prestação de serviços em massa (pesos-padrão

de 1mg a 50kg), instrumentos de pesagem classe de exatidão I, II e III com Max até

100kg, calibração em medidas capacidade de 5 até 50 litros, determinação da

capacidade volumétrica de embalagens, verificação de esfigmomanômetros mecânicos,

verificação de analisadores de gases de exaustão veicular e etilômetros.

O processo atual de comparação de massas do laboratório de calibração do IPEM-MG,

com o uso de comparadoraas de massa, exige dos metrologistas um repetitivo esforço

físico para a inserção e retirada de objetos e pesos-padrão sobre a comparadoraa pelo

método ABBA (padrão, objeto, objeto, padrão).

Este projeto tem a finalidade de construir um sistema automatizado controlado por um

PLC (controlador lógico programável) para inserir e retirar pesos-padrão e objetos sobre

a comparadoraa ( 10, 20 e 50kg). Este sistema minimizará o esforço físico dos

metrologistas, durante o processo de comparação de massas. Espera-se obter uma

melhor qualidade de trabalho para o metrologista além de um considerável aumento de

produtividade.

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DESCRIÇÃO

Este projeto automatizará o processo de comparação de peso-padrão e objetos pelo

método ABBA, o qual repete-se quatro vezes completando um ciclo de comparação.

O sistema de automação proposto, mostrado na Figura 1, é composto por um prato

apoiado sobre a comparadora, duas esteiras móveis movimentadas verticalmente por

cilindros pneumáticos controlados por um PLC e um suporte para cilindros

pneumáticos.

A Figura 2 mostra o sistema acompanhado de duas esteiras laterais fixas ao solo para

facilitar a entrada e saída das massas até as esteiras móveis. Estas estruturas são

construídas em alumínio para não ocorrer interferência magnética na comparadora.

FIGURA 1. Sistema de automação processo de comparação de massas

FIGURA 2. Sistema de automação acompanhado das esteiras fixas laterais

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A programação de avanço e recuo das hastes dos cilindros é feita de forma a impedir

que o peso-padrão e o objeto nunca sejam colocados simultaneamente sobre o prato da

comparadora, ou seja, ora o padrão fique sobre o prato ora o objeto, ou em uma terceira

situação onde nem o objeto nem o peso-padrão estejam sobre o prato por um

determinado tempo necessário para a estabilização da comparadora.

Na Figura 3 estão representadas as três posições possíveis das duas esteiras móveis em

relação ao prato da comparadora.

(a) (b) (c)

FIGURA 3. Posições possíveis das esteiras móveis.

(a) padrão sobre o prato e objeto fora do prato,

(b) objeto sobre o prato e padrão fora do prato,

(c) prato sem carga

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A estrutura responsável pela elevação das massas, denominada “esteira móvel”, é

construída com roletes para facilitar a entrada e saída das mesmas. Desta forma o

metrologista movimenta as massas sobre os roletes constituintes de outras duas esteiras

posicionadas nas laterais da esteira móvel como mostra a Figura 4.

FIGURA 4. Esquema de movimento dos objetos e dos pesos-padrão sobre as esteiras

O objeto é empurrado da esteira de entrada para a esteira móvel superior que o coloca

sobre o prato da comparadora. Do mesmo modo, porém no nível inferior da esteira de

entrada, o peso-padrão é empurrado para a esteira móvel inferior e em seguida colocado

sobre o prato da comparadora. Assim, erros provenientes do operador são eliminados

devido ao movimento de inserção e retirada das massas ser controlado pelo PLC.

Após a calibração, as massas são retiradas através da esteira de saída.

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COMPONENTES DO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO

Além das esteiras de entrada e saída, o sistema de automação, como já dito acima, é

composto por três estruturas: o prato, as esteiras móveis e o suporte dos cilindros. Nesse

tópico estas estruturas são descritas com mais detalhes.

Prato

O prato adaptado para a automação é construído com tubos retangulares e quadrados,

fabricados em alumínio liga 6351 T6, soldados, para formar a estrutura mostrada na

Figura 5. Esta estrutura sustenta os objetos e os pesos-padrão e transfere a massa do

objeto e do peso-padrão para a comparadora. As distâncias horizontais entre os tubos

retangulares são tais que os roletes das esteiras móveis movimentam sem encostar no

prato.

FIGURA 5. Prato do sistema de automação

Esta estrutura é a única que entra em contato com a comparadora de massa. E como ela

faz parte da tara, seu peso não pode exceder a 8 kg. Utilizando o alumínio liga 6351 T6

e projetando-o com a menor dimensão possível, conseguiu-se um peso aproximado de 6

kg.

O prato dispõe de quatro reguladores de altura em sua base inferior coincidentes com os

pontos acionadores da célula de carga da comparadora.

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Esteira móvel

A esteira móvel é construída com tubos redondos, vergalhões redondos, barras chatas e

rolamentos blindados, ver Figura 6. Todas as peças são fabricadas em alumínio liga

6351 T6, com exceção dos rolamentos blindados que são construídos em aço cromo.

Algumas destas peças são providas de rosca externa presas por porcas, enquanto que as

demais são soldadas. Os roletes são presos sob pressão aos rolamentos.

FIGURA 6. Esteiras móveis

Estas duas esteiras são presas por porcas aos atuadores dos cilindros pneumáticos.

A esteira móvel superior recebe o objeto e através dos movimentos das hastes dos

cilindros, controlados pelo PLC, deposita o mesmo sobre a base superior do prato

apoiado na comparadora.

A esteira móvel inferior realiza o mesmo trabalho, porém com os pesos-padrão.

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Suporte dos cilindros

O suporte dos cilindros pneumáticos é construído com tubos quadrados em alumínio

liga 6351 T6 e soldados. Esta estrutura dispõe de quatro reguladores de altura e abriga

os oitos cilindros pneumáticos como mostrado na Figura 7. Estes cilindros pneumáticos,

com curso final de seis centímetros, são fixos por flanges à estrutura e são responsáveis

por movimentar verticalmente as esteiras móveis.

FIGURA 7. Suporte dos cilindros

COMANDO PLC DOS CILINDROS PNEUMÁTICOS

As conexões e o esquema para o controle dos cilindros pneumáticos estão apresentados

nas Figuras 8 e 9, respectivamente. Optou-se pelo PLC pela facilidade de adaptação do

sistema para outros métodos de pesagem. São quatro cilindros para cada esteira móvel,

controlados simultaneamente. O controle do sistema e a comparadora são ligados ao

computador. Dessa forma enquanto não ocorra a estabilização desta, não é enviado

comando ao sistema para posicionar a massa no prato. O controle da velocidade de

acionamento dos cilindros também são contemplados.

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Balança 34 kgBalança 150 kg

Balança 60 kg

DBA C FE G H

FIGURA 8. Diagrama esquemático de conexão dos cilindros pneumáticos

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181716

Fonte

15

10 11

PLC

1214

7 8 9

A B C ED F G H5

6

19

13

19

FIGURA 9. Esquema de conexão dos equipamentos para o controle dos cilindros

pneumáticos

1 Controle de Fluxo angular2 Cilindro com prolongamento3 Mangueira poliuretano4 TEE 5 Conector macho6 Conector para painel7 Válvula duplo solenóide8 Bloco manifold9 Cotovelo giratório10 Fonte de alimentação

11 Fiação 12 Conector reto13 Conector p/ painel14 Relés15 Conjunto Lubrefil16 Suporte p/ conj. Lubrefil17 Cotovelo giratório18 Controlador lógico Programável19 Caixa metálica

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METODOLOGIA

Influência da Aceleração da Gravidade na Indicação da comparadora

O resultado da medição de instrumentos de pesagem que utilizam o princípio da

compensação de forças eletromagnéticas ou mudanças na indutância, capacitância ou

freqüência, é diretamente proporcional à força gravitacional atuante no corpo a ser

pesado. Nestes instrumentos a influência da aceleração da gravidade local não pode ser

ignorada, e, portanto, eles devem ser ajustados e calibrados no local da instalação,

principalmente para os instrumentos que possuem 10.000 ou mais intervalos de divisão,

segundo Marco Aurélio Diniz Maciel, Metrologia 2000.

Logo, para garantir a exatidão da medição é necessário que se verifique qual a diferença

de altura entre o objeto e o peso-padrão, ou seja, a diferença da base inferior do prato,

que abriga os pesos-padrão, à base superior que abriga os objetos a serem comparados.

Para pesos-padrão de Classe E2, (usados no laboratório de massas do IPEM-MG), os

valores dos erros máximos permitidos (emp) estão relacionados na Tabela 1.

TABELA 1 emp conforme R111 OIMLValor Nominal ± mg

50 kg 75 20 kg 3010 kg 15

De acordo com a lei da gravitação universal de Newton:

2RmmG

F T ⋅⋅=

onde F é a força produzida pela atração entre as massas da Terra (mT) e o objeto (m), G

é a constante gravitacional e R a distância entre as massas.

Para se descobrir a diferença máxima de altitude entre as bases do prato, considerou-se

F1 como sendo a massa ao nível do mar e F2 a massa na altura h que deseja-se

encontrar, acima do nível do mar.

F1 = G.mT.m R2

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F2 = G.mT.m (R+h)2

A variação da gravidade se dá pela forma:

Variação = F2 - F1 = emp F1 m

Logo:

F2 = F1. emp + F1 = G.mT.m m (R+h)2

Conclui-se que para pesos-padrão de classe E2, somente uma diferença de altura entre os

objetos e os pesos-padrão a partir de 4,78 metros geraria um erro considerável na

comparação para a classe considerada. A diferença de altura das massas no prato

projetado é de 0,516 m, Figura 10, bem abaixo do valor limite.

FIGURA 10. Diferença de altura entre o peso-padrão e o objeto.

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Escolha do Material

As estruturas que ficam próximas a comparadora de massa devem ser construídas em

materiais amagnéticos, pois materiais magnéticos podem alterar as características

funcionais de elementos como capacitores, resistores e indutores presentes em balanças

eletrônicas. Esta indução eletromagnética pode causar variações na leitura dos

resultados das medições. Portanto, todas as estruturas descritas a serem construídas para

a funcionalidade deste projeto são em alumínio liga 6351 T6. Este material possui uma

resistência próxima à resistência do aço carbono, porém não possui propriedades

eletromagnéticas e são mais leves.

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JUSTIFICATIVA

Ergonomia

A manipulação e o levantamento de cargas são as principais causas de lombalgia. Estas

podem aparecer por sobreesforço ou como resultado de esforço repetitivo. Outros

fatores como empurrar ou puxar cargas, posturas inadequadas e forçadas ou vibrações

estão diretamente relacionadas com o aparecimento deste distúrbio.

De acordo com o item, 17.2.2 da Norma Regulamentadora N° 17 da Secretaria de

Inspeção do Trabalho, “Não deverá ser exigido nem admitido o transporte manual de

cargas, por um trabalhador, cujo peso seja suscetível de comprometer sua saúde ou sua

segurança.”

Esta mesma norma recomenda a equação desenvolvida pelo National Institute for

Occupacional Safety and Health – NIOSH para avaliar a manipulação de cargas no

trabalho. A equação de NIOSH pode identificar os riscos de lombalgia associados à

carga física a que está submetido o trabalhador e propor um Limite de Peso

Recomendado – LPR, adequado para cada tarefa em questão. De acordo com o resultado

obtido pode-se classificar a tarefa em três índices de risco IL dado pelo quociente da

carga elevada pelo LPR.

De acordo com o resultado o risco pode se encaixar em três faixas:

• Risco limitado

• Aumento moderado do risco

• Aumento elevado do risco

O LPR é dado por:

LPR = LC x HM x VM x DM x AM x FM x CM

onde:

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LC é uma constante de carga. Valor fixado em 23 kg como sendo o peso levantado em

condições ideais (ocasional, com boa pega e levantado a menos de 25 cm), de maneira

tal que a força de compressão no disco L5/S1, produzida pelo levantamento, não supere

os 3,4 kN.

Considerando somente a tarefa de colocar e retirar os pesos de 20 kg na comparadora

pelo método ABBA, e analisando-a pela equação de NIOSH, pode-se verificar que esta

tarefa está classificada como aumento moderado do risco. A recomendação para esta

classificação é: “Alguns trabalhadores podem adoecer ou sofrer lesões se realizarem

essas tarefas. As tarefas desse tipo devem ser redesenhadas ou atribuídas apenas a

trabalhadores selecionados que serão submetidos a controle”. A Tabela 2 contém os

valores do cálculo dos coeficientes, o limite de peso recomendado e o índice de risco da

tarefa para a tarefa analisada.

Tabela 2. Cálculo dos coeficientes

COEFICIENTE RESULTADO DESIGNAÇÃOHM 1 distância percorrida com o pesoVM 0,811 altura inicial do pesoDM 0,933 deslocamento verticalAM 0,911 rotação do corpo do trabalhadorFM 0,910 levantamentos por minutoCM 1 fator de pegaLPR 15,460 Limite de Peso Recomendado

IL= carga/LPR 1,29 índice de risco

Produtividade

O processo passa a ser realizado com mais eficácia, conforto e rapidez, uma vez que o

metrologista não repetirá a ação de colocar e retirar o peso-padrão da comparadora

manualmente para cada objeto a ser comparado. O esforço de elevar os pesos será

realizado pelos cilindros pneumáticos, onde o controle será feito pelo computador

interligado a um controlador lógico programável.

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RESULTADOS

Espera-se com esta automação, que tanto os objetos quanto os pesos-padrão sejam

colocados de forma suave e exata sobre o prato da comparadora sem nenhum contato

com a esteira móvel, garantindo assim a confiabilidade que exige o processo de

comparação de massas.

Com a construção das estruturas em alumínio liga 6351 T6, minimiza-se a ocorrência de

indução eletromagnética nos dispositivos eletrônicos que constituem a comparadora de

massa, que poderia gerar uma interferência na medição.

As dimensões das peças das estruturas estão no padrão comercial e calculadas para

suportar a carga proveniente do maior valor nominal 50 kg.

Com este projeto esperamos a erradicação de problemas ergonômicos e melhorando a

qualidade de trabalho.

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AUTORES

Marcelo Motta Campello, Tecnologia em Normalização e Qualidade Industrial, 31

3356-6688, [email protected]

José Carlos Lana, Tecnologia em Normalização e Qualidade Industrial, 31 3356-6688,

dvtl@ ipem.mg.gov.br

Hígor Alves Ferreira, Engenharia Eletrônica c/ ênfase em Automação, 37 3241-2694,

[email protected]

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Maciel, Marco Aurélio Diniz, Erros da Indicação de Instrumentos de Pesagem não

Automáticos Devido a Aceleração da Gravidade. Metrologia - 2000 International

Conference on Advanced Optical, Eletrical and Legal Metrology, página 552, 2000.

Parker, Catálogo de Equipamentos Hidráulicos e Pneumáticos. Disponível em

<http://www.parker.com.br> acessado em agosto de 2006.

Alumínio, Catálogo de Perfis Padronizados. Disponível em <

http://www.asaaluminio.com.br/catalogo.php> acessado em agosto de 2006.

Pneumática, Catálogo de válvulas e cilindros hidráulicos. Disponível em

<http://www.pneumática.com.br> acessado em agosto de 2006.

Portaria INMETRO nº 236, de 22 de dezembro de 1994.

Portaria INMETRO nº 233, 22 de dezembro de 1994.

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