inmetro · melhor qualidade de trabalho para o metrologista além de um considerável aumento de...
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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
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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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
14
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,
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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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