INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAO, CINCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA

DEPARTAMENTO ACADMICO DE METAL-MECNICA MESTRADO PROFISSIONAL EM MECATRNICA

ARIOVALDO DEZOTTI DIRETRIZES PARA O PROJETO DE PAINEL ELTRICO DE COMANDO E ACIONAMENTO DE MQUINAS CNCS RECONFIGURVEIS

Dissertao submetida ao programa de ps-graduao em mecatrnica do Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obteno do ttulo de mestre em mecatrnica.

Orientadora: Silvana Rosa Lisboa de S, M.Eng.

FLORIANPOLIS, 2012

Ficha Catalogrfica

Sistema de Bibliotecas Integradas do IFSC Biblioteca do Campus Cricima Catalogado por Michelle Pinheiro Bibliotecria CRB14/799

D532d Dezotti, Ariovaldo Diretrizes para o projeto de painel eltrico de

comando e acionamento de mquinas CNC's reconfigurveis [dissertao] / Ariovaldo Dezotti ; orientadora Silvana Rosa Lisboa de S. - Florianpolis, SC, 2012.

1v.

Dissertao (Mestrado em Mecatrnica) Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia de Santa Catarina. Programa de Ps-Graduao em Mecatrnica.

Inclui referncias.

1. Painel eltrico reconfigurvel. 2. Sistemas reconfigurveis. 3. Mquinas CNC. 4. Mquinas reconfigurveis. I. S, Silvana Rosa Lisboa de. II. Ttulo.

CDD: 621.3

DIRETRIZES PARA O PROJETO DE PAINEL ELTRICO DE COMANDO E ACIONAMENTO DE MQUINAS CNCS RECONFIGURVEIS

ARIOVALDO DEZOTTI

Esta dissertao foi julgada adequada para a obteno do ttulo de mestre em Mecatrnica, e aprovada em sua forma final pela banca examinadora do programa de Ps-Graduao em Mecatrnica, do Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia de Santa Catarina.

Florianpolis, 04 de maio de 2012.

________________________________________ Silvana Rosa Lisboa de S, M. Eng. - Orientadora

__________________________________________ Raimundo Ricardo Matos da Cunha, Dr. Eng. - Coordenador do Curso

Banca Examinadora:

_________________________________________ Silvana Rosa Lisboa de S, M. Eng. Presidente da banca

_________________________________________ Valdir Noll, Dr. Eng. Membro interno Instituio

_________________________________________

Emerson Silveira Serafim, Dr. Eng. Membro externo Instituio

AGRADECIMENTOS Agradeo aos meus pais e irmos, pelo suporte e

orientaes ao longo de toda a minha vida. minha esposa Vivian Stumpf Madeira pelo incentivo,

pacincia e ajuda nos bons e maus momentos. Deus, por permitir minha chegada at aqui. profa. Silvana Rosa Lisboa de S pela amizade,

orientao e confiana em mim depositada. Ao prof. Felcio Jos Gesser pelas conversas e

orientaes. Aos bolsistas Thiago Vieira e Isabela Paredes pela ajuda

ao longo desta dissertao. Aos meus amigos do grupo de mecatrnica do IF-SC em

especial ao Jemerson e ao Heron por compartilhar os momentos difceis.

Aos amigos do IF-SC Cricima pelo incentivo e ajuda.

RESUMO

Atualmente o reduzido ciclo de vida dos produtos aliado a grande demanda por novos produtos faz com que as indstrias tenham que, constantemente, adaptar os equipamentos de sua linha de produo para acompanhar o ritmo dinmico das mudanas. Porm essas alteraes nem sempre so rpidas e viveis por motivos tcnicos ou econmicos. Isto pode ocasionar problemas para uma indstria que precisa se adaptar rapidamente ao mercado.

Entretanto, a utilizao da arquitetura reconfigurvel em uma mquina ferramenta permite que essa mquina produza peas diferentes apenas com a troca de simples mdulos. Esses mdulos so previamente concebidos para permitir essa mudana. As solues encontradas para o projeto de mquinas reconfigurveis so basicamente voltadas ao projeto mecnico no se preocupando com o projeto eltrico. Isto pode constituir um problema para a indstria quando so realizadas modificaes ou ampliaes nas mquinas a fim de adapt-las a uma nova aplicao.

Neste contexto, a proposta dessa dissertao de mestrado ser elaborar um estudo acerca das solues tecnolgicas aplicadas na concepo do painel eltrico, sob o ponto de vista de mquinas reconfigurveis, e propor diretrizes de projeto para painel eltrico utilizado no acionamento de mquinas de comando numrico - CNC reconfigurveis. Para tal, considerar-se-o os atributos tcnicos das arquiteturas reconfigurveis voltadas aos componentes eltricos. Sero apresentados os componentes eletroeletrnicos existentes no mercado com suas principais caractersticas que podero ser utilizados permitindo a reconfigurao do painel eltrico da mquina a fim de acompanhar as eventuais alteraes mecnicas realizadas.

Para validar o estudo e as diretrizes desenvolvidas ser projetada e construda uma bancada para ensino de setup e startup de mquinas CNCs reconfigurveis.

Palavras-chave: Painel eltrico reconfigurvel, Sistemas reconfigurveis, Mquinas CNC, Mquinas reconfigurveis.

ABSTRACT

Nowadays the limited products life cycle coupled with strong for new products, means that industries have to constantly adapt equipment to their production lines to keep pace with dynamic changes. Unfortunately these changes are not always quick and feasible, either for technical and economic reasons. This can cause problems for an industry that must quickly adapt to the market.

However, using the reconfigurable architecture in a machine tool allows to the machine producing different pieces just changing machine modules. The modules are previously designed to allow these changes. The solutions for the reconfigurable machine tool design are basic focused on the mechanical design of the machine, while the electrical design (cables, connections and electric cabinet, e.g.) are often overlooked. It can be a problem for the industry when the machine needs to pass for modifications to adapt them to new aplications.

In this context, the aim of this paper is to develop guidelines for design and assembly of an electric cabinet used for CNC reconfigurable machine tool. It will be considered the technical attributes of reconfigurable architectures with emphasis on electronics components.

It will be shown the electric-electronic available material in industry with their main reconfigurable features that should be used for assembly. To validate the design guidelines will be built a learning toolkit for setup and startup of CNC reconfigurable machine tool.

Key words: Reconfigurable electrical cabinet,

reconfigurable system, CNC machine, reconfigurable machine

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 - Painel com falta de espao ..................................... 14 FIGURA 2 - Torno convencional ................................................. 22 FIGURA 3 - Torno CNC .............................................................. 22 FIGURA 4 - Aspectos da reconfigurao de um sistema ........... 26 FIGURA 5 - Aplicao de um sistema de manufatura reconfigurvel ............................................................................. 26 FIGURA 6 - Famlia de componentes ......................................... 27 FIGURA 7 - Alterao de mquina ferramenta reconfigurvel ... 30 FIGURA 8 - Esquema eltrico de uma mquina ferramenta CNC ................................................................................................... 32 FIGURA 9 - Benefcios da utilizao dos sistemas de controles abertos ....................................................................................... 35 FIGURA 10 - Sistema de Controle aberto baseado em PC ........ 36 FIGURA 11 - Interfaces internas e externas do sistema de controle aberto ............................................................................ 37 FIGURA 12 - Mquina reconfigurvel atual ................................ 39 FIGURA 13 - Futuro de mquina reconfigurvel com mdulos mecatrnicos .............................................................................. 39 FIGURA 14 - Servomotor integrado ao Drive ............................. 40 FIGURA 15 - Mdulo mecatrnico Siemens ............................... 41 FIGURA 16 - Mdulos Funcionais do painel de acionamento de mquina CNC reconfigurvel. ..................................................... 44 FIGURA 17 - Mdulo funcional Abrigar ...................................... 45 FIGURA 18 - Mdulo funcional Abrigar Caixa ......................... 46 FIGURA 19 - Mdulo funcional Abrigar - Painel modular ........... 47 FIGURA 20 - Mdulo funcional Fixar .......................................... 47 FIGURA 21 - Componentes Fixos placa.................................. 48 FIGURA 22 - Trilho DIN .............................................................. 49 FIGURA 23 - Montagem fixa e extravel ..................................... 50 FIGURA 24 - Mdulo funcional Ligar/Desligar e sinalizar ........... 51 FIGURA 25 - Modelos de botes disponveis ............................. 52 FIGURA 26 - Mdulo funcional Ventilar ...................................... 53 FIGURA 27 - Ventilao forada de ar ....................................... 54 FIGURA 28 - Mdulo funcional Proteger .................................... 55 FIGURA 29 - Disjuntor em caixa moldada para baixa tenso .... 56 FIGURA 30 - Fusvel tipo NH, D e cartucho ............................... 57 FIGURA 31 - DR Trifsico .......................................................... 58 FIGURA 32 - Mdulo funcional Intertravar ................................. 58

FIGURA 33 - Contator Auxiliar e Contator de Potncia.............. 60 FIGURA 34 - Contator auxiliar e Rel eletromecnico ............... 61 FIGURA 35 - Mdulo funcional Conectar ................................... 62 FIGURA 36 - Borne com diferentes tipos de fixao .................. 62 FIGURA 37 - Distribuidor de cabos ............................................ 64 FIGURA 38 - Mdulo funcional Comunicar ................................ 64 FIGURA 39 - Protocolos utilizados em mquina CNC ............... 65 FIGURA 40 Topologia em anel Sercos .................................... 67 FIGURA 41 - Mdulo funcional converter/ regular tenso .......... 68 FIGURA 42 - Transformador de comando ................................. 69 FIGURA 43 - Fontes de alimentao linear e chaveada ............ 70 FIGURA 44 - Concepo em software e bancada finalizada ..... 77 FIGURA 45 - Utilizao de trilhos DIN para fixao dos componentes .............................................................................. 78 FIGURA 46 - Detalhe do sistema de fixao dos Drivers........... 79 FIGURA 47 - Chave rotativa de energizao ............................. 79 FIGURA 48 - Base fusvel e fusvel de entrada .......................... 80 FIGURA 49 - Detalhe do rel modular ....................................... 81 FIGUR A 50 - Bornes de conexo .............................................. 82 FIGURA 51 - implementao do bus SERCOS ......................... 83 FIGURA 52 - CNC FAGOR 8070 ............................................... 84 FIGURA 53 - Painel reconfigurvel setorizado ........................... 87

LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Comparao entre DML e FMS. ................................ 23 Tabela 2 - Comparativo Rel SSR e eletromagntico ................ 59 Tabela 3 - Comparativo Rel e contator ..................................... 61 Tabela 4 - Requisitos de reconfigurabilidade aplicado aos componentes .............................................................................. 71 Tabela5 Diretrizes de projeto para painel eltrico reconfigurvel ................................................................................................... 73 Tabela 6 Mdulos de acionamento do painel .......................... 86

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

API- Application Programming Interface CLP- Controlador Lgico Programvel CNC- Controlador Numrico Computadorizado DML- Dedicated Manufacturing Line FMS- Flexible Manufacturing System IHM- Interface Homem-Mquina ISO- International Organization for Standardization MEMS- Sistema Micro Eltrico Mecnico NBR- Norma Brasileira NR- Norma Regulamentadora RAM- Reconfigurable Assembly Machine RIM- Reconfigurable Inspection Machine RMS- Reconfigurable Manufacturing System RMT- Reconfigurable Machine Tool

SUMRIO

1 INTRODUO ......................................................... 13 1.1 OBJETIVOS ............................................................. 15 1.1.1 Objetivo Principal ....................................................... 15 1.1.2 Objetivos Especficos ................................................ 16 2 REVISO BIBLIOGRFICA .................................... 19 2.1 A EVOLUO DO PROCESSO DE MANUFATURA INDUSTRIAL ............................................................................. 19 2.2 SISTEMA DE MANUFATURA RECONFIGURVEL RMS .................................................................................. 25 2.3 PROJETO DE UM SISTEMA DE MANUFATURA RECONFIGURVEL RMS ..................................................... 27 2.4 MQUINA CNC RECONFIGURVEL ...................... 29 2.5 PAINEL ELTRICO DE MQUINA FERRAMENTA CNC .................................................................................. 31 2.6 USO DE ARQUITETURA ABERTA EM MQUINAS CNC RECONFIGURVEIS ....................................................... 34 2.7 SOLUO PARA REDUO DO CABEAMENTO DO PAINEL .................................................................................. 38 2.8 DESAFIOS DA IMPLEMENTAO DE UM SISTEMA DE MANUFATURA RECONFIGURVEL - RMS ...................... 41 3 PROJETO DE PAINEL ELTRICO RECONFIGURVEL ................................................................. 43 3.1 MDULOS FUNCIONAIS DO PAINEL DE ACIONAMENTO E COMANDO ................................................. 45 3.1.1 Abrigar ....................................................................... 45 3.1.2 Fixar ........................................................................... 47 3.1.3 Ligar/Desligar e sinalizar ........................................... 50 3.1.4 Ventilar/ Refrigerar ..................................................... 52 3.1.5 Proteger ..................................................................... 54 3.1.5.1 Disjuntor .................................................................... 55 3.1.5.2 Fusvel ....................................................................... 56 3.1.5.3 Disjuntor e interruptor diferencial DR ...................... 57 3.1.6 Intertravar .................................................................. 58 3.1.6.1 Rel ........................................................................... 59 3.1.6.2 Contator ..................................................................... 60 3.1.7 Conectar .................................................................... 61 3.1.7.1 Bornes ....................................................................... 62 3.1.7.2 Conectores ................................................................ 63 3.1.8 Comunicar ................................................................. 64

3.1.9 Converter Regular Tenso ........................................ 68 3.1.9.1 Transformador ........................................................... 68 3.1.9.2 Fonte de alimentao ................................................ 69 3.1.10 Comparativo dos componentes ................................. 70 4 DIRETRIZES DE PROJETO DE PAINEL ELTRICO RECONFIGURVEL.................................................................. 72 5 APLICAO DAS DIRETRIZES PARA PROJETO DE QUADRO ELTRICO DE MQUINA CNC RECONFIGURVEL .................................................................................. 76 5.1 ABRIGAR .................................................................. 76 5.2 FIXAR ........................................................................ 78 5.3 LIGAR/ DESLIGAR E SINALIZAR ............................. 79 5.4 PROTEGER .............................................................. 80 5.5 COMANDAR/ INTERTRAVAR .................................. 81 5.6 CONVERTER/ REGULAR......................................... 82 5.7 CONECTAR .............................................................. 82 5.8 COMUNICAR ............................................................ 83 5.9 DESCRIO DO CNC .............................................. 83 5.10 FUNCIONAMENTO DA PARTE ELTRICA. ............ 84 5.11 REGRAS DE PROJETO ........................................... 85 5.11.1 Setor 1 ....................................................................... 85 5.11.2 Setor 2 ....................................................................... 86 5.11.3 Setor 3 ....................................................................... 86 5.11.4 Setor 4 ....................................................................... 86 6 CONCLUSO ............................................................ 89 REFERNCIAS ......................................................................... 91

1 INTRODUO

Com a globalizao da economia e a crescente reduo do ciclo de vida dos produtos os processos de manufatura industrial sofreram um grande impacto e atualmente a manufatura tem-se mostrado turbulenta e incerta.

Segundo (Muller, 1996), para um sistema de manufatura atender as necessidades dos clientes, ele deve:

Produzir somente o necessrio e com o menor prazo de entrega; Reagir de forma flexvel e rpida s mudanas; Produzir produtos da mais alta qualidade possvel; Produzir os produtos a custo mais baixo ou, ao menos, a custos adequados. Entretanto, analisando do ponto de vista do processo de

fabricao, as indstrias hoje realizam constantes alteraes em seus processos produtivos a fim de atender a demanda variada de produo. O novo conceito de produo industrial baseado em mudanas constantes do mercado forou a indstria a inovar seu processo produtivo passando a ser orientado ao produto. Assim na dcada de 90 surgiu o sistema de manufatura reconfigurvel (RMS - reconfigurable manufacturing system). Este sistema tem como grande diferencial a possibilidade de ser reconfigurado em nvel de mquina adaptando-se rapidamente s mudanas impostas pelo mercado.

Um sistema de manufatura reconfigurvel aquele projetado para um rpido ajuste de sua capacidade produtiva e suas funcionalidades, atravs de uma famlia de produtos, pelo rearranjo ou mesmo alterao de seus componentes de hardware e software. (Koren, 2010).

Um sistema para ser reconfigurvel deve atender, desde a

sua concepo, requisitos que garantam que as alteraes necessrias tanto nas mquinas quanto no sistema de manufatura em si, sejam possveis ao longo do tempo. Para tanto, as mquinas que fazem parte desse tipo de sistema devem tambm ser reconfigurveis, ou seja, devem ter a capacidade de modificar sua estrutura por meio de adio ou subtrao de componentes, denominados mdulos, para

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incorporar novas funcionalidades de produo ou mesmo para ter um incremento em sua capacidade de produo. Esse tipo de mquina pode, a qualquer momento, retornar ao seu estado original atravs da remoo destes mdulos.

Seguindo esses conceitos, vrios autores tm contribudo para o desenvolvimento de mquinas reconfigurveis dentre os quais podemos citar: Koren (1999), Landers (2001), Moon (2002), Pereira (2004), Sirca (2011) entre outros. Em suas pesquisas, porm estes autores abordam basicamente os aspectos reconfigurveis dos mdulos mecnicos ou do software de controle das mquinas.

Para uma mquina ser totalmente reconfigurvel a parte eltrica incluindo acionamento, comando e conexes, tambm deve ser projetada seguindo os mesmos conceitos desenvolvidos para os componentes mecnicos, pois assim, evita-se que uma possvel reconfigurao da mquina, do ponto de vista mecnico, venha a se tornar um grande problema para a parte eltrica. Este problema pode ir desde a falta de espao no painel de comando para a incluso, temporria ou definitiva, de um novo componente, at a passagem de um novo cabo por toda a extenso da mquina a fim de alimentar um motor.

A Figura 1 exemplifica um painel construdo sem levar em conta critrios de mquinas reconfigurveis. Observa-se claramente a falta de espao para uma eventual ampliao ou incluso de uma nova funcionalidade.

FIGURA 1 - Painel com falta de espao

Fonte: (autor)

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Em contrapartida, a indstria de componentes eletroeletrnicos segue, muitas vezes, o conceito de modularidade o que facilitar em muito a reconfigurabilidade de um sistema eltrico. Porm, ao projetar o painel eltrico para uma mquina reconfigurvel se no for levado em conta s solues que essas indstrias oferecem, ou mesmo se no forem observadas regras de compatibilidade entre os equipamentos ou dos protocolos de comunicao entre as diversas indstrias de componentes eletroeletrnicos, o projeto final de uma mquina reconfigurvel pode surpreender e mostrar-se de pouca integrabilidade.

A experincia prtica mostra que nem sempre a construo de um painel eltrico para o acionamento de mquinas realizada pensando em futuras expanses ou em mudanas de acionamento acarretando, com isso, problemas como a falta de espao e a dificuldade de redistribuio dos componentes.

Em um estudo bibliogrfico preliminar sobre mquinas reconfigurveis, constatou-se ainda pouca disponibilidade de material que aborde o tema de reconfigurabilidade do ponto de vista eltrico ou mais especificamente do projeto do painel eltrico voltado para este tipo de mquina, e este fato, foi essencial para criar o interesse do mestrando em desenvolver um estudo dos componentes utilizados em painel eltrico de mquinas reconfigurveis a fim de elaborar diretrizes que possam auxiliar o projeto e montagem destes painis.

1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Objetivo Principal Este trabalho tem como objetivo identificar os aspectos

reconfigurveis dos componentes eltricos utilizados em mquinas CNCs reconfigurveis e propor diretrizes que auxiliem na escolha dos componentes que sero utilizados no projeto e montagem de um painel eltrico de acionamento e comando de mquinas CNC reconfigurveis.

Para tal, considerar-se-o os atributos tcnicos exigidos no projeto de mquinas reconfigurveis. Esses atributos so a

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customizao, a escalabilidade, convertibilidade, modularidade, integrabilidade e diagnosticabilidade.

Como aplicao das diretrizes de projeto desenvolvidas ser construdo um painel eltrico reconfigurvel para o acionamento e comando de uma Bancada de ensino de setup e startup de mquinas CNCs reconfigurveis. Esta bancada ser montada no Laboratrio de Mquinas Operatrizes e Automao da Manufatura do Departamento Acadmico de Metal Mecnica (DAMM) do Campus Florianpolis do IF-SC.

1.1.2 Objetivos Especficos

Os objetivos especficos do trabalho so: Realizar uma pesquisa bibliogrfica sobre normas,

metodologias e regras de projeto para o projeto de painis eltricos reconfigurveis. Sistematizar as solues de componentes da indstria

eletroeletrnica, com foco na montagem de painis eltricos reconfigurveis. Solues de fixao, engate de cabos, escolha de

componentes e ferragens que se encaixam no conceito de modularidade. Analisar os protocolos de comunicao utilizados por

controladores de mquinas CNCs encontrados no mercado. Mostrar a aplicabilidade de cada protocolo na

reconfigurao das mquinas CNCs. Nesta dissertao no sero estudados painis eltricos

utilizados em outros fins que no sejam o acionamento de mquinas CNCs. Entretanto, isto no significa que as diretrizes no podero ser aplicadas em outros tipos de mquinas automticas.

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ESTRUTURA DO TRABALHO Este trabalho encontra-se dividido em 6 captulos, sendo a

descrio de cada captulo mostrada abaixo: Captulo 1 Introduo- Aborda o tema de sistema de

manufatura situando a manufatura reconfigurvel no contexto, alm de apresentar os objetivos esperados com a realizao do trabalho.

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica Contextualiza a

evoluo dos processos de manufatura bem como as mquinas utilizadas em cada processo at chegar mquina reconfigurvel. So apresentados os requisitos que norteiam o seu projeto bem como o uso de software com arquitetura aberta como um elemento integrador neste tipo de mquina. Solues envolvendo a reduo do cabeamento eltrico so apresentadas apontando as tendncias para o futuro da parte eltrica deste tipo de mquina.

Capitulo 3 Projeto de painel eltrico reconfigurvel

Neste captulo os componentes eltricos que so normalmente utilizados para a montagem de painis eltricos so divididos, de acordo com suas funcionalidades, em mdulos funcionais e analisados sob o ponto de vista dos requisitos de sistemas reconfigurveis evidenciando assim caractersticas que possam ser aproveitadas para o projeto de um painel eltrico reconfigurvel.

Captulo 4 Diretrizes para projeto de painel eltrico

reconfigurvel apresentada uma sntese dos componentes eltricos ressaltando sua contribuio na utilizao em um painel eltrico reconfigurvel. Regras de projeto para a montagem de um painel eltrico reconfigurvel tambm so apresentadas.

Captulo 5 Aplicao das diretrizes para o projeto de

quadro eltrico de mquinas CNCs reconfigurveis Traz a aplicao prtica das diretrizes de projeto atravs da implementao de uma bancada didtica para setup e startup de mquina CNC reconfigurvel.

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Captulo 6- Concluso- Traz os resultados do trabalho bem como o atendimento aos objetivos iniciais, alm de consideraes sobre benefcios e dificuldades da aplicao das diretrizes propostas. Sugesto para trabalhos futuros so apontadas como continuao deste trabalho.

2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 A EVOLUO DO PROCESSO DE MANUFATURA INDUSTRIAL

O processo de manufatura pode ser definido como a

utilizao de ferramentas e de trabalho para a produo de bens de consumo para uso prprio ou para a venda. O termo se refere a uma grande variedade das atividades humanas indo do artesanato, onde os produtos so produzidos manualmente, ao uso de alta tecnologia nos sistemas de manufatura industrial.

Segundo Koren (2010, pg.6) um sistema de manufatura pode ser visto como um conjunto de mquinas, ou estaes, integradas que executam uma sequncia repetida de operaes tendo como objetivo transformar matria-prima em produtos finais.

Os processos de manufatura esto em constante evoluo atravs dos tempos. Evoluo esta impulsionada por fatores econmicos e sociais que procuram atender as necessidades dos clientes tanto em termos de preo quanto com relao satisfao do produto. Dentro desta evoluo Koren (2010) destaca quatro fases que marcaram os processos produtivos. Estas fases so consideradas paradigmas da manufatura, pois provocaram mudanas significativas no processo.

A primeira fase representada pelo sistema de manufatura artesanal. Este tipo de manufatura foi o primeiro utilizado pelo homem para a produo de bens de consumo e tem como caracterstica principal a fabricao de produtos de maneira manual e em pequena escala. Na manufatura artesanal o processo de fabricao composto prioritariamente por uma mo-de-obra humana altamente especializada, com habilidade para operar ferramentas de uso geral como o torno, furadeira, fresa e etc. Essa mo-de-obra normalmente participa de vrias etapas da produo.

A manufatura artesanal tem como vantagem a fabricao de produtos personalizados e exclusivos com o objetivo de atender exatamente ao que foi solicitado pelo cliente. O ponto chave da produo encontra-se nas mos dos funcionrios, que possuem habilidades especficas para tal. Este tipo de

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manufatura utilizado atualmente por algumas empresas que trabalham com pedidos feitos por encomenda e com produtos de alto valor agregado, tais como carros-esporte, moblias, iates e etc.

A segunda fase dos processos produtivos foi marcada por uma indstria de manufatura de massa caracterizada por uma produo em larga escala com pouca ou nenhuma variao nos tipos de produtos, visando principalmente o baixo custo de produo. Este tipo de manufatura trouxe mudanas significativas para o processo produtivo.

Na manufatura de massa foi criado o conceito de linha de manufatura dedicada - DML (Dedicated Manufacturing Line). Na linha de manufatura dedicada (DML) as mquinas utilizadas so projetadas para realizar apenas uma funo dentro da linha de produo, com isso se ganha tempo na produo. Estas mquinas so conhecidas como mquinas dedicadas.

As mquinas dedicadas so dispostas sequencialmente em uma linha imaginria. Com isso as peas produzidas se movem de uma mquina a outra em intervalos de tempo definidos. At a dcada de 70, eram utilizados mquinas e controladores formados puramente por sistemas eletromecnicos.

A principal vantagem da DML a produo em larga escala e consequentemente com um baixo custo unitrio. Isto ocorre devido operao simplificada das mquinas e ao controle de produo.

Dentre as desvantagens da DML, cita-se a dificuldade em reconfigurar a linha, ou seja, em modific-la para a produo de diferentes produtos e a sua manuteno, visto que a parada de uma mquina interfere em toda a sequncia de produo.

Nesta fase da indstria a mo-de-obra especializada deixa de ser fundamental, sendo substituda pelas mquinas com alta capacidade de produo. A manufatura de massa ganhou destaque e comeou a se firmar como uma nova proposta de produo na dcada de 1910 quando Henry Ford, com o objetivo de tornar mais barato o automvel que era produzido na poca, comeou a utiliz-la em suas indstrias. Esta manufatura dominou os processos produtivos pelo mundo at o ano de 1980 quando se iniciou uma nova fase de produo (KOREN, 2010).

A terceira fase dos processos de manufatura foi impulsionada pelo prprio mercado consumidor que cansado de

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ter poucas opes de escolha na hora da compra passou a ser mais exigente. Com isso, a indstria teve que se renovar e oferecer variaes dos produtos permitindo ao consumidor personalizar a sua compra.

Essa nova fase de produo s foi possvel aps os avanos da indstria eletroeletrnica e dos sistemas de software, que impulsionaram a introduo de sistemas computadorizados nas operaes industriais atravs, principalmente, das mquinas de comando numrico computadorizado CNC. Estas mquinas conferiram flexibilidade aos processos produtivos que puderam a partir de ento produzir diferentes tipos de produtos em uma mesma linha de produo.

As mquinas de comando numrico computadorizado - CNC so mquinas ferramenta onde seus movimentos so controlados por um computador. O computador atua como um interpretador de instrues, compostas por nmeros e letras, fazendo a leitura destas instrues e gerando um sinal de sada que utilizado para controlar os componentes da mquina. Essas instrues podem ser preparadas previamente atravs de softwares integrados de manufatura (CAM) ou programadas na prpria mquina que normalmente dispe de teclado e tela, atravs de linguagens de programao especficas tais como cdigo G que segue a norma ISO 6983. As mquinas CNC contam ainda com um controlador lgico programvel CLP responsvel por monitorar e controlar os sensores, atuadores e drivers para acionamento dos servomotores. As caractersticas mecnicas como rigidez e folgas nas mquinas CNCs so estritamente controladas a fim de melhorar a sua preciso (BATALHA, 2011).

Como vantagens da usinagem nas mquinas CNCs comparadas com as mquinas convencionais pode-se citar (BATALHA, 2011):

Produo de peas complexas com boa preciso

dimensional, boa repetibilidade com alta produtividade; Calibrao da mquina facilitada pelos dispositivos

eletrnicos; Os programas preparados podem ser armazenados

eletronicamente e recuperados rapidamente; No depende da capacidade do operador.

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As Figuras 2 e 3 apresentadas abaixo descrevem uma mquina ferramenta (torno) convencional e uma mquina ferramenta CNC com os respectivos componentes.

FIGURA 2 - Torno convencional

Fonte: (Romi, 2011)

FIGURA 3 - Torno CNC Fonte: (Romi, 2011)

Com o advento das mquinas CNCs, as linhas de produo dedicadas (DML) cederam lugar ao sistema de manufatura flexvel FMS (Flexible Manufacturing System). O sistema de manufatura flexvel composto por estaes de processamento de material que so interligadas por um sistema automtico de manipulao e armazenamento de peas e comandadas por um sistema de controle central computadorizado.

Cabeote Mvel

rvore Carro

Porta Ferramentas Controle de Avano

Freio

CNC Cabeote mvel

rvore Porta

Carro de Comando

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As estaes de processamento de material do FMS so formadas por mquinas CNCs. Estas mquinas realizam diferentes operaes em uma famlia de produtos. O sistema automtico de manipulao, tem por finalidade otimizar o fluxo de peas produzidas nas mquinas ferramentas bem como controlar a movimentao do material e a produo das mquinas.

Este sistema capaz de processar peas com tamanhos e formas diferentes em suas estaes de trabalho alm de alterar a sequncia de montagem, atravs do sistema de manipulao de peas, produzindo desta forma uma grande variedade de produtos (AIZED, 2011).

Na Tabela 1 abaixo tem-se um comparativo entre uma linha de manufatura dedicada (DML) e um sistema de manufatura flexvel (FMS).

Tabela 1 - Comparao entre DML e FMS.

Vantagem Desvantagem

DML Baixo custo unitrio de produo; Operao com mltiplas ferramentas.

No flexvel - somente um componente; No altera a escala de produo; Projetado para um nico componente;

FMS Flexvel; Permite mudana de escala.

Custo elevado; Foco na mquina; Baixa produtividade; Operao com ferramenta nica.

Fonte: (Koren, 2010) A produo de produtos diversificados obtida pelo

sistema de manufatura flexvel (FMS) atravs de todas as mquinas envolvidas no processo com mudanas no software das mesmas, no sendo necessrio substituir as mquinas como no caso da linha de manufatura dedicada. Uma desvantagem da utilizao de mquinas CNCs que so mquinas que utilizam apenas uma ferramenta por vez e para alterar a ferramenta existe o tempo de troca da mesma, fazendo com que a taxa de produo seja menor do que aquela alcanada pela linha de manufatura dedicada. Outra desvantagem deste sistema que so equipamentos complexos e de alto custo e em funo dos rpidos avanos da tecnologia podem se tornar obsoletos em um curto espao de tempo.

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A variedade de produtos que so produzidos utilizando o sistema de manufatura flexvel bem diversificada indo de sistemas pticos utilizados pela indstria de armamentos passando por aeronaves, blocos de motor de automveis e at pela indstria de calados (KOREN, 2010).

Comparando-se a linha de manufatura dedicada (DML) com o sistema de manufatura flexvel (FMS), percebe-se que nos dois sistemas de produo o hardware fixo, ou seja, as mquinas no so projetadas para receber alteraes em sua estrutura. O sistema de manufatura flexvel conta ainda com estrutura de software fixa. Embora o software das mquinas CNCs utilizadas pelo sistema FMS permitiam alguma alterao, o seu algoritmo de controle e sistema operacional no pode ser alterado pelo usurio, ficando desta forma obsoleto ao longo do tempo. Em resumo, podemos dizer que a DML utilizada para manufatura de um nico produto com produo em larga escala e o sistema FMS utilizado em operaes de manufatura com diversidade de produtos, porm com uma escala menor de produo.

Em contraponto a isto, a globalizao dos mercados aliada ao rpido desenvolvimento da cincia e da tecnologia bem como da economia mundial tem contribudo para tornar o cenrio da indstria de manufatura incerto e turbulento. Os consumidores atuais procuram por produtos com alta qualidade, durabilidade, aparncia e funcionalidades personalizadas alm de preo baixo e menor prazo de entrega possvel. Desta forma, as indstrias de manufatura so pressionadas a entregar maior variedade de produtos, com constantes novidades em um ritmo sempre crescente a fim de se manterem competitivas. Como resultado tem-se um ciclo de vida dos produtos cada vez menor com a estrutura dos mesmos tornando-se cada vez mais complexa. Essa nova fase pela qual a indstria de manufatura est passando exige uma indstria que seja capaz de responder rapidamente s mudanas do mercado, ou seja, capaz de se converter rapidamente para a produo de novos modelos de produtos e de alterar rapidamente sua capacidade de produo a fim de produzir uma maior variedade de produtos em quantidades imprevisveis (BI et al, 2008).

A fim de superar essas limitaes o futuro sistema de manufatura deve atender a requisitos que vo alm da manufatura dedicada e da flexvel. Este sistema compreende a

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manufatura reconfigurvel (RMS - reconfigurable manufacturing system) que surgiu no final da dcada de 90 com o objetivo de reunir a flexibilidade do sistema FMS e a alta produtividade da manufatura DML (MEHRABI et al, 2000).

2.2 SISTEMA DE MANUFATURA RECONFIGURVEL RMS

Um novo sistema de manufatura, chamado de sistema de

manufatura reconfigurvel (RMS- reconfigurable manufacturing system) est em desenvolvimento e tem como meta proporcionar alteraes tanto na estrutura da mquina como no sistema, em nvel de hardware e software, possibilitando com isso agregar as vantagens do sistema DML, como a alta capacidade de produo; e do sistema FMS, como a flexibilidade de produo. Isto permitir ao sistema de manufatura reagir s mudanas do mercado de maneira rpida, eficiente e com custo mais baixo que os outros sistemas de produo. Com essa proposta, o risco das mquinas e do sistema de manufatura se tornar obsoleto em um curto espao de tempo ser diminudo, pois permitir alteraes em seus componentes possibilitando atualizaes constantes.

O conceito de sistema de manufatura reconfigurvel- RMS bem como um de seus componentes, a mquina ferramenta reconfigurvel - RMT (Reconfigurable Machine Tool) foram criados em 1999 quando foram registradas as patentes (5.943.750 e 6.349.237) no departamento de patentes dos Estados Unidos, pelo Centro de Pesquisa de Engenharia para Sistemas de Manufatura Reconfigurvel da Universidade de Michigan. Uma definio de como deve ser um RMS foi proposta por Koren et al. (2009, pg. 529):

Um RMS deve ser projetado desde o

incio para permitir uma rpida mudana em sua estrutura, bem como em seus componentes de hardware ou de software, a fim de adaptar rapidamente sua capacidade de produo e funcionalidades dentro de uma famlia de componentes em resposta a mudanas bruscas no mercado ou nos requisitos de regulamentao.

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Os componentes do RMS podem ser tanto as mquinas ou os manipuladores de todo o sistema de manufatura, como tambm os componentes individuais de mquinas (incluindo seu painel eltrico), novos sensores ou ainda novos algoritmos de controle. A FIGURA 4 ilustra os aspectos da reconfigurao para um RMS, podendo a reconfigurao ser aplicada em nvel de sistema, de software, de mquina e assim por diante.

FIGURA 4 - Aspectos da reconfigurao de um sistema

Fonte: (autor ) A FIGURA 5 exemplifica um RMS completo composto por

diferentes tipos de mquinas reconfigurveis (hardware) e tambm pelo sistema de software reconfigurvel que utilizado para controle tanto das mquinas individuais como tambm para gerenciamento do sistema.

FIGURA 5 - Aplicao de um sistema de manufatura reconfigurvel

Fonte: (BI et al., 2007), traduzido pelo autor

Reconfigurao

Sistema

Software Controle

Processo

Mquina

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2.3 PROJETO DE UM SISTEMA DE MANUFATURA RECONFIGURVEL RMS

O projeto de um RMS deve conter caractersticas que

garanta sua reconfigurabilidade. Essas caractersticas devem valer para todo o sistema de manufatura incluindo o painel eltrico de acionamento das mquinas, controladores e sistemas de software.

Koren (2010) ao propor o RMS definiu algumas caractersticas tpicas de definem um sistema de manufatura reconfigurvel. Essas caractersticas so apresentadas a seguir:

a) Customizao

Define o projeto da mquina ou do sistema para a produo de uma famlia especfica de componentes diminuindo o custo total do sistema. Uma famlia de componentes definida como todos os componentes que possuem as mesmas formas e caractersticas geomtricas, utilizam o mesmo processo de produo, possuem o mesmo nvel de tolerncia, e ainda possuem a mesma faixa de custo, conforme visto na FIGURA 6.

FIGURA 6 - Famlia de componentes

Fonte: (Koren, 2010)

b) Convertibilidade a capacidade de ajustar as funcionalidades do sistema

ou da mquina de maneira rpida a fim de produzir, ou inspecionar, todos os componentes de uma famlia. Esses

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ajustes podem envolver troca de motores, ferramentas, programas de usinagem ou ainda a adio de novas mquinas.

c) Escalabilidade

a capacidade do sistema ou da mquina poder ampliar a sua capacidade de produo de maneira rpida a fim de atender a demanda de produo.

d) Modularidade Em um RMS os principais componentes devem ser

modulares, como os elementos estruturais, eixos, controladores, software e o ferramental. Quando necessrio um componente modular em qualquer nvel pode ser trocado ou atualizado para melhor atender a novas aplicaes. Mdulos so mais fceis de manter e atualizar do que a mquina como um todo.

e) Integrabilidade

a capacidade de integrao (adaptao) entre os componentes da mquina ou do sistema. Os mdulos de controle e da mquina devem ser projetados com interfaces adequadas que permitam a integrao dos componentes. Essa integrao deve acontecer tanto no hardware quanto no software e prever a introduo de tecnologias futuras.

f) Diagnosticabilidade Possui dois objetivos em um RMS. Detectar falhas da

mquina e detectar falhas nos componentes produzidos, sendo este o mais crtico do sistema. Como o sistema projetado para ser reconfigurvel, aceitando mudanas frequentes em sua estrutura, torna-se essencial detectar falhas de produo de uma maneira rpida e confivel.

Dentro dessas caractersticas a customizao, a

escalabilidade e a convertibilidade atuam diretamente no custo da mquina. Uma mquina reconfigurvel customizada para uma famlia de produtos possui um custo menor que uma mquina CNC de propsito geral. A mquina tambm pode ser projetada tendo como objetivo principal a convertibilidade a fim de

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manusear famlias de produtos diferentes ou ento escalabilidade a fim de lidar com aumento repentino de demanda ou ainda os dois requisitos podem ser prioritrios, j as caractersticas de modularidade e integrabilidade so suficientes para definir uma mquina reconfigurvel. A caracterstica de diagnosticabilidade quando incorporada mquina ou ao sistema fornece meios para uma reconfigurao mais rpida e precisa. Um projeto de sistema reconfigurvel deve tentar reunir o maior nmero possvel dessas caractersticas, embora seja muito difcil reunir todas em uma mesma mquina.

2.4 MQUINA CNC RECONFIGURVEL A caracterstica bsica do RMS vista anteriormente que a

estrutura do sistema bem como a estrutura das mquinas e dos controles que compem o sistema pode ser rapidamente alterada com o intuito de se adaptar s exigncias do mercado. Assim o principal objetivo de uma mquina ferramenta reconfigurvel poder ser modificada a fim de lidar com as vrias mudanas nos produtos ou peas que so fabricados. As alteraes que podem ocorrer nas peas so relativas ao tipo de material, volume de produo, tamanho da pea, geometria, complexidade da pea, e etc.

Como exemplo de possveis alteraes que uma mquina CNC reconfigurvel capaz de aceitar, destaca-se a utilizao de mltiplas ferramentas simultaneamente ou o trabalho com eixos no ortogonais. Essas alteraes so realizadas a fim de alterar a capacidade de produo da mquina ou alterao de suas funcionalidades.

A FIGURA 7 fornece dois exemplos de alterao que podem ser realizados em uma mquina CNC reconfigurvel. No primeiro exemplo adicionado mais um mdulo de eixo rvore aumentando a capacidade de produo da mquina. Destaca-se os requisitos de reconfigurabilidade da mquina como a modularidade (cada rvore considerada um mdulo), integrabilidade (a interligao da parte mecnica e eltrica da nova rvore deve ser rpida e fcil), customizao (flexibilidade somente para furao horizontal), escalabilidade (permite acrescentar at 4 rvores mquina). No segundo exemplo observam-se duas caractersticas, a customizao (famlia de

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peas com superfcie inclinada), e a convertibilidade (rpida alterao do ngulo da ferramenta) (KOREN, 2006).

FIGURA 7 - Alterao de mquina ferramenta reconfigurvel

(Fonte: Dashchenko, 2006) Segundo Malhotra, Raj e Arora (2009) ainda no existe

uma metodologia de projeto desenvolvida especificamente para mquina ferramenta reconfigurvel, assim os conceitos de sistema de manufatura reconfigurvel so aplicados ao projeto a fim de se obter uma mquina reconfigurvel.

Katz (2007) define alguns princpios de projeto para mquina ferramenta reconfigurvel a partir dos requisitos do RMS. Segundo ele uma mquina ferramenta pode ser considerada reconfigurvel se seu projeto seguir um princpio necessrio e alguns princpios primrios. O princpio necessrio que a mquina seja projetada visando atender uma famlia de peas especficas. Assim o projeto de uma mquina ferramenta reconfigurvel deve partir de uma famlia de peas que a mquina ir produzir e com isso a mquina projetada para se adaptar produo de todas as peas desta famlia, isto permite criar uma mquina customizada garantindo o requisito de customizao.

Garantindo esse princpio necessrio deve-se procurar atender aos princpios primrios:

- A mquina ferramenta reconfigurvel deve possuir uma

flexibilidade customizada; - Deve ser projetada para uma fcil e rpida

convertibilidade; - Deve possuir escalabilidade, permitir adio ou remoo

de componentes que aumentem a produtividade ou eficincia da operao;

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- A mquina ferramenta reconfigurvel deve permitir sua reconfigurao a fim de trabalhar em diferentes pontos da linha de produo utilizando a mesma estrutura;

- A mquina ferramenta reconfigurvel deve ser projetada aplicando os conceitos de sistemas modulares, utilizando mdulos e interfaces.

O conceito de projeto modular no recente e utilizado

em projetos de diversos equipamentos, porm no contexto de uma mquina CNC reconfigurvel a modularidade deve permitir uma reconfigurao eficiente da mquina sempre que necessrio. Com isso as interfaces mecnicas, eltricas e de controle da mquina devem permitir uma rpida integrao de seus mdulos.

O desafio de projeto de um painel eltrico para acionamento e comando de uma mquina CNC reconfigurvel consiste justamente em agrupar elementos que se adaptem a estas caractersticas e que contribuam para a reconfigurabilidade geral da mquina.

2.5 PAINEL ELTRICO DE MQUINA FERRAMENTA CNC

Analisando o painel eltrico de mquinas ferramentas

percebe-se um avano no projeto e montagem dos mesmos com a evoluo dos sistemas de manufatura.

O painel eltrico de uma mquina ferramenta convencional utilizados na manufatura dedicada no possui complexidade de montagem, pois o acionamento da mquina realizado atravs de um motor que aciona o eixo rvore e tambm realiza o avanamento do eixo atravs de processo mecnico (engrenagens e polias), sendo o ajuste de velocidade controlado mecanicamente por caixa de cmbio. O painel eltrico composto basicamente por componentes eletromecnicos (rels, contatores) responsveis pelo acionamento do motor e por funes de intertravamento. No existe neste tipo de mquina a preocupao com a disposio dos componentes no painel.

O painel eltrico de uma mquina ferramenta CNC, utilizada na manufatura flexvel, envolve um grau de complexidade maior, pois, o acionamento da mquina (rvore e eixos de posicionamento) realizado de forma independente atravs de mdulos de potncia. O sistema de controle da

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mquina formado por sensores, atuadores, CLP e o prprio CNC que realiza todo o comando da mquina. A funo bsica do CNC na mquina realizar o controle de movimento de forma automtica e precisa sendo que quanto maior for o nmero de recursos oferecidos pelo CNC maior a versatilidade da mquina.

O painel eltrico bsico de uma mquina ferramenta CNC pode ser dividido em mdulos conforme a FIGURA 8 e suas funes principais so descritas a seguir.

FIGURA 8 - Esquema eltrico de uma mquina ferramenta CNC

Fonte: (autor) Entrada de Energia: A entrada de energia de uma mquina

CNC tem como funo receber a energia eltrica vinda de uma fonte externa e realizar sua proteo contra possveis sobrecargas da mquina ou mesmo um curto-circuito provocado acidentalmente ou por falhas dos componentes. A proteo de entrada realizada atravs de disjuntor ou fusvel (Schneider Electric, 2009). Quando utilizado disjuntor de entrada este componente pode atuar tambm como chave geral da mquina atravs da instalao de uma chave de acionamento externa ao painel. Na entrada de energia os cabos de alimentao so especificados em funo da potncia mxima instalada da mquina.

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Drive de Acionamento dos Eixos: Tem como funo acionar os eixos de posicionamento da mquina (X, Y,Z, e etc) realizando o controle de velocidade e torque do motor, trabalha em malha fechada com realimentao vinda de um encoder que montado diretamente no motor de acionamento dos eixos (servomotor). Os servomotores de posicionamento so formados por motores de corrente contnua (CC) ou alternada (AC) sendo que estes ltimos podem ser do tipo sncrono ou assncrono ( WEG, 2012).

Drive de Acionamento do eixo rvore: Responsvel por

realizar o acionamento do servomotor da rvore, sendo que o servomotor pode ser de corrente contnua ou alternada.

Freio do eixo rvore: Sistema que realiza a frenagem do

eixo que contm a ferramenta de trabalho em caso de anormalidade. O freio do tipo eletromagntico incorporado ao prprio motor do eixo.

Fonte CA/CC: A alimentao dos sensores, CLP, CNC e

do circuito de comando destas mquinas geralmente so realizadas em corrente contnua, assim comum a utilizao de retificadores de tenso para a alimentao destes circuitos.

Intertravamento: So lgicas criadas a partir de rels ou

contatores utilizadas para verificar o estado geral da mquina inibindo seu funcionamento no caso de anormalidades, ou para acionar o freio do eixo rvore.

CLP: Controla funes auxiliares da mquina como o

trocador de ferramenta, bombas de refrigerao, transportadores, e etc. atravs dos sensores a atuadores conectados a ele.

CNC: o equipamento eletrnico mais importante da mquina ferramenta, pois interpreta o programa de comando numrico e realiza o gerenciamento das informaes de movimento da mquina tais como a rotao da rvore e movimento dos eixos. responsvel ainda por propiciar a troca de informaes da mquina com o usurio atravs de uma interface de comunicao (IHM). Diversos fabricantes desenvolvem e comercializam o CNC para a mquina

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ferramenta, porm como este equipamento de extrema importncia para o funcionamento da mquina uma prtica comum dos fabricantes fornecer uma soluo onde no possvel realizar alteraes significativas no CNC, cabendo ao usurio somente a programao do comando numrico.

O painel eltrico de uma mquina CNC reconfigurvel abriga os componentes da mquina CNC, porm para este tipo de mquina deve levar em conta as caractersticas de sistema reconfigurvel propostas anteriormente por Koren. Assim deve-se priorizar a utilizao de componentes eltricos modulares, com caractersticas que facilitem a insero e retirada do componente do painel, deve-se buscar tambm solues que diminuam a quantidade de cabeamento do painel e da mquina como um todo, visando melhorar a integrabilidade do painel. Os requisitos de reconfigurabilidade no dizem respeito somente aos componentes de hardware do painel eltrico devendo se estender ao software do CNC, sendo que atualmente a utilizao de CNC com arquitetura aberta propicia a reconfigurabilidade.

2.6 USO DE ARQUITETURA ABERTA EM MQUINAS CNC RECONFIGURVEIS

A utilizao de controladores baseados em arquitetura

aberta em mquinas CNCs fundamental para o desenvolvimento de mquinas reconfigurveis bem como para sua utilizao nos sistemas de manufatura reconfigurvel, pois adicionam caractersticas de modularidade, escalabilidade e integrabilidade s mquinas (PRITSCHOW, 2001).

A ideia de desenvolver o controlador (CNC) para mquina ferramenta utilizando arquitetura aberta no recente, sendo que os primeiros trabalhos referentes a essa tecnologia surgiram na dcada de 90 no NIST (National Institute of Standards and Technology). O objetivo da arquitetura aberta criar um ambiente neutro e padronizado para facilitar a implementao do controle, e integrao de aplicaes especficas atravs da abertura de suas interfaces. Esse sistema possibilita ao usurio a compra de hardware e software de fabricantes diferentes, e com isso a criao de solues de controle para mquinas ferramentas com interfaces de aplicao diversas e de baixo custo (ASATO et al., 2002).

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Inicialmente o mercado de mquinas CNCs foi dominado pelo uso de controladores (controlador numrico, PLC) heterogneos, orientados equipamentos com arquitetura fechada onde o hardware e o software de controle pertenciam ao mesmo fabricante, chamados de proprietrios. Neste tipo de arquitetura a forte ligao entre o software e o hardware dificulta a escalabilidade do sistema, ou seja, a capacidade do mesmo em suportar aumento ou diminuio de mdulos de hardware ou software. A arquitetura fechada muitas vezes dificulta a ampliao do sistema, limita a troca de fabricantes e em muitos casos a prpria atualizao do controlador. Nesta arquitetura o usurio final realiza somente a funo de programao da mquina, e os fabricantes das mquinas ferramentas, frente s restries impostas pelo hardware e software de controle, tambm ficam impedidos de implementar novas funes (PRITSCHOW et al., 2001).

J a utilizao de sistemas de controle abertos traz benefcios tanto para os fabricantes de mquinas, quanto para os fornecedores dos sistemas e por fim para os usurios finais. Na FIGURA 9 abaixo possvel ver alguns benefcios da utilizao dos sistemas de controle aberto sendo que uma vantagem comum a todos a reduo de custo total.

FIGURA 9 - Benefcios da utilizao dos sistemas de controles abertos

Fonte: (Pritschow et al, 2001) modificado pelo autor Para os fabricantes dos equipamentos de controle e

mquinas ferramentas a arquitetura aberta permite o reuso de softwares e ainda proporciona a implementao de controles

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especficos para cada cliente. Possibilita ainda a flexibilidade na utilizao de hardwares, utilizando-os de forma eficiente e de acordo com as necessidades de seus clientes. Para o usurio final a arquitetura aberta muito mais importante, pois possvel realizar a integrao de softwares especficos, tais como sistemas de monitorao capazes de trocar informaes on-line com os sistemas de controle e sistema de coleta e gerao de relatrios e histricos com capacidade para compartilhar via Internet ou Intranet.

Atualmente alguns controladores de mquinas ferramenta visando alta qualidade e flexibilidade utilizam a arquitetura aberta com um sistema homogneo baseado em PC (personal computer) orientados a software e utilizando interfaces abertas como mostrado na FIGURA 10.

FIGURA 10 - Sistema de Controle aberto baseado em PC

Fonte: (Pritschow et al, 2001) adaptado pelo autor

O que permite a arquitetura aberta funcionar com diversos sistemas o uso de interfaces. Essas interfaces so classificadas como internas e externas ao controlador e por seguirem normas internacionais garantem transparncia na troca de dados entre o controlador e seus componentes. As interfaces externas do controlador so responsveis por garantir a troca de informaes entre o controlador e as unidades subordinadas, unidades superiores e com o usurio. A interface com o usurio segue as normas DIN 66025 para elaborao de programas CNC

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e a IEC 61131-3 para a programao de CLP, existindo ainda interfaces de usurio para operaes conhecidas como IHM (interface homem-mquina) que podem ser desenvolvidas em ambientes de programao como o Visual Basic. A comunicao com os sistemas subordinados realizada atravs de redes de campo (Fieldbus), com tempos de resposta curtos e ciclos fixos, que seguem os padres como: SERCOS, Profibus ou DeviceNet utilizados na comunicao com os drivers e unidades I/Os. Para a comunicao com os sistemas superiores so utilizadas redes baseadas no protocolo TCP/IP e Ethernet com tempo de ciclo varivel e com capacidade de manipular grandes pacotes de informao (PRITSCHOW, 2001).

As interfaces internas so utilizadas pelos controladores para a troca de informaes e interao entre os componentes que compem o sistema de controle central. Para que o controle se torne reconfigurvel e adaptvel, a arquitetura interna do controle baseada no conceito de plataforma. O principal objetivo deste conceito esconder alguns detalhes especficos do hardware dos componentes de software do sistema e estabelecer uma comunicao entre todos os componentes de software. Os elementos de software chamados de APIs (Application programming interface) so os responsveis por estes requisitos (PRITSCHOW et al., 2001). A FIGURA 11 ilustra as interfaces de um sistema de controle com arquitetura aberta.

FIGURA 11 Interfaces internas e externas do sistema de controle aberto

Fonte: (Pritschow, 2001- traduzido pelo autor)

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2.7 SOLUO PARA REDUO DO CABEAMENTO DO PAINEL

Uma preocupao constante em mquina reconfigurvel

do ponto de vista eltrico envolve a reduo do cabeamento da mquina a fim de melhorar sua integrabilidade e modularidade. Grandes fabricantes de equipamentos eletroeletrnicos buscam solues que visam diminuio do cabeamento tanto interno ao painel quanto o que distribudo pela mquina procurando tambm melhorar as interfaces de conexo.

Atualmente o painel eltrico de uma mquina reconfigurvel abriga os componentes de controle e fornecimento de energia da mquina fazendo com que diversos cabos derivem do painel para os vrios elementos da mquina tais como, eixos, trocador de ferramenta, sistema de transporte e etc.

A utilizao de interfaces de comunicao, tais como SERCOS ou Profibus auxiliam para a diminuio do cabeamento distribudo internamente no painel eltrico, porm para cada motor da mquina ainda necessrio um cabo de acionamento eltrico, um cabo com as informaes de posio e tambm cabo para as vlvulas dos atuadores hidrulicos e pneumticos existentes em toda a mquina.

Uma possvel soluo para diminuir consideravelmente o nmero de cabos passados pela mquina seria integrar os principais componentes eltricos que hoje se localizam no painel diretamente no motor de acionamento formando um mdulo mecatrnico. Nesta soluo o CLP, drive de controle, retificador e at a unidade hidrulica se tornariam parte do mdulo. Essa soluo apontada como possvel faz uso da tecnologia de miniaturizao dos componentes eltricos e mecnicos (MEMS) que so utilizados atualmente pela indstria automotiva e pela rea mdica (PRITSCHOW et al., 2009).

Com essa soluo implementada o cabeamento eltrico que passaria por uma mquina ferramenta reconfigurvel construda com mdulos mecatrnicos ficaria restrito a apenas um cabo de alimentao, um cabo de controle e uma tubulao de ar comprimido para as funes pneumticas. A ideia suprimir at a linha hidrulica da mquina, pois o mdulo teria sua prpria unidade hidrulica. Os cabos dos sensores e atuadores tambm no seriam necessrios ser passados pelo painel, pois o CLP seria incorporado ao mdulo mecatrnico.

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Para exemplificar a soluo a FIGURA 12 a seguir ilustra o principal cabeamento eltrico que existe atualmente em uma mquina reconfigurvel, e a FIGURA 13 ilustra a considervel reduo desse cabeamento em uma mquina reconfigurvel fazendo o uso de mdulos mecatrnicos. A soluo de um mdulo mecatrnico completo, integrando acionamento, controle via CLP e unidade hidrulica ainda no existe comercialmente principalmente porque o conceito de mquina reconfigurvel ainda no se estabeleceu na indstria, e essas solues tm sido estudadas em projetos separados. (PRITSCHOW, 2009).

FIGURA 12- Mquina reconfigurvel atual

Fonte: (Pritschow, 2009) traduzido pelo autor

FIGURA 13 Futuro de mquina reconfigurvel com mdulos mecatrnicos

Fonte: (Pritschow, 2009) traduzido pelo autor

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Alguns fabricantes de equipamentos eletroeletrnicos j oferecem solues comerciais visando diminuio do cabeamento das mquinas e utilizando os conceitos de mdulos mecatrnicos. A soluo apresentada na FIGURA 14 utiliza um servomotor com drive de acionamento incorporado. O drive possui interface de comunicao SERCOS e sua ligao realizada atravs de apenas um cabo hbrido composto de cabo de energia e cabo de comunicao. Com essa soluo apenas um cabo necessrio para alimentar todos os motores da mquina e realizar a comunicao, isso diminui consideravelmente os cabos representando alto grau de integrabilidade.

FIGURA 14 Servomotor integrado ao Drive

Fonte: (Bosch Rexroth, 2012) Na FIGURA 15 mostrada a soluo de outro fabricante

onde o driver tambm incorporado ao servomotor, porm so utilizados dois cabos sendo um para energia e outro para a comunicao. Esta soluo tambm reduz o cabeamento da mquina uma vez que somente um cabo de alimentao sai do painel para alimentar os motores. A comunicao entre o driver do motor e o controle central realizada via interface de comunicao Profibus DP.

SERCOS

Cabo Hbrido SERCOS+ Energia

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FIGURA 15 Mdulo mecatrnico Siemens

Fonte: (Siemens, 2012)

Os benefcios eltricos da utilizao deste tipo de soluo em uma mquina reconfigurvel so:

- Reduo do tamanho total do painel eltrico, e maior grau de modularidade;

- Montagem mais rpida garantindo escalabilidade; - Reduo significativa do cabeamento, melhorando a

integrabilidade; - Diagnstico de falha mais rpido via protocolos de

comunicao.

2.8 DESAFIOS DA IMPLEMENTAO DE UM SISTEMA DE MANUFATURA RECONFIGURVEL - RMS

O relatrio americano sobre os desafios da manufatura

para o ano de 2020 (Visionary Manufacturing Challenges for 2020, 1998) aponta que um dos seis grandes desafios que as indstrias tero que enfrentar nos prximos anos justamente a capacidade de reconfigurao de suas instalaes em resposta s novas necessidades e oportunidades do mercado. Conforme mencionado, o conceito de reconfigurvel tem sido pesquisado pela comunidade acadmica, porm ainda faltam muitos avanos a fim de tornar esta tecnologia vivel na indstria de manufatura.

Segundo Chaube, Benyoucef e Tiwari (2011), os sistemas de manufatura reconfigurveis ainda no atingiram um grau de

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desenvolvimento satisfatrio para uso em larga escala. necessria muita pesquisa em nvel de mquina tanto no aspecto econmico quanto tcnico, pois, o sucesso do RMS depende das mquinas envolvidas no processo. Um dos motivos que inviabiliza a implantao do RMS justamente a falta de mquinas ferramenta reconfigurveis disponveis para utilizao industrial. As principais dificuldades encontradas na construo destas mquinas so: Metodologia de projeto Dificuldade em se criar um modelo

matemtico de sntese para mquinas reconfigurveis; Interfaces - a fabricao dos mdulos da mquina deveriam

ser padronizados e construdos com preciso, de forma a garantir rigidez estrutural e preciso geomtrica na montagem da mquina;

Autonomia dos mdulos - A ligao da fiao eltrica e a tubulao hidrulica e pneumtica dos mdulos com as fontes externas de energia ainda so um incomodo e podem representar um obstculo no caso da reconfigurao.

3 PROJETO DE PAINEL ELTRICO RECONFIGURVEL

O projeto do painel eltrico reconfigurvel foi desenvolvido baseado nos princpios de projeto de mquinas ferramenta modulares. Uma mquina ferramenta modular projetada atravs da escolha de seus componentes, que so agrupados em diversos mdulos, sendo que cada mdulo realiza uma funo distinta na mquina. Os mdulos que formam a mquina so chamados de mdulos funcionais e dentro de cada mdulo so agrupados os componentes que possuem as mesmas funcionalidades do mdulo (ITO, 2008).

Seguindo esses princpios o painel eltrico da mquina CNC reconfigurvel foi criado a partir da anlise de um painel eltrico de acionamento e comando de mquina ferramenta CNC. Foram identificadas todas as funes exercidas pelos diversos componentes que formam o painel e a partir dessas funes o painel foi dividido em mdulos funcionais.

A partir da criao dos mdulos funcionais, os componentes do painel foram agrupados por semelhana de funo dentro de cada mdulo, e posteriormente foi realizada uma anlise do ponto de vista de sistema reconfigurvel, ou seja, procurou-se identificar caractersticas de modularidade, integrabilidade, escalabilidade e diagnosticabilidade nos componentes. A caracterstica de diagnosticabilidade dos componentes foi avaliada sob o ponto de vista da facilidade de manuteno, pois nem todos os componentes do painel possuem a capacidade de se detectar falhas conforme a definio original da diagnosticabilidade.

A FIGURA 16 foi criada a partir desta anlise, e representa os mdulos funcionais de um painel eltrico reconfigurvel para o acionamento e comando de uma mquina CNC reconfigurvel. A seguir os mdulos funcionais e seus componentes so descritos e avaliados sob o ponto de vista dos requisitos de reconfigurabilidade.

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FIGURA 16- Mdulos Funcionais do painel de acionamento de mquina CNC reconfigurvel.

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3.1 MDULOS FUNCIONAIS DO PAINEL DE ACIONAMENTO E COMANDO

3.1.1 Abrigar De acordo com a norma regulamentadora nmero 10 (NR-

10), que trata da segurana em instalaes e servios em eletricidade, qualquer montagem envolvendo eletricidade deve ser seguramente acondicionada em invlucros a fim de impedir um possvel contato acidental com partes energizadas por pessoas que no possuam conhecimento na rea eltrica. A norma define o invlucro como sendo um envoltrio das partes energizadas destinado a impedir contato com as partes internas. Os tipos mais comuns de invlucros utilizados na rea eletroeletrnica para abrigar as montagens eltricas so as caixas e os painis, desta forma, o mdulo funcional Abrigar pode ser considerado conforme mostra a FIGURA 17 abaixo.

FIGURA 17 - Mdulo funcional Abrigar

Entretanto, a norma, NBR IEC 60439-1 define como sendo

o painel uma combinao de um ou mais dispositivos de manobra, controle, sinalizao, medio, proteo, regulao, e etc., em baixa tenso completamente montados, com todas as interconexes internas eltricas e estrutura mecnica. Popularmente o termo definido por esta norma como CONJUNTO, ficou conhecido como painel ou quadro eltrico, englobando o invlucro, os componentes e as ligaes eltricas. Com base nesta norma encontram-se os painis eltricos (ou conjuntos) nas mais variadas aplicaes, tais como: banco de capacitores; distribuio residencial; distribuio para circuitos de potncia e iluminao; sistemas de controle; centro de controle de motores; derivao; acionamento e controle de mquinas.

Para a construo de um painel eltrico reconfigurvel, o invlucro deve ser escolhido e dimensionado levando em conta futuras ampliaes eltricas da mquina, tais como ampliao do

Mdulos de acionamento Componentes Bateria Mdulo I/OCabos

Caixa

Painel

ABRIGAR

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nmero de drivers de comando, sensores e atuadores, aumento da potncia instalada e etc. Assim o invlucro deve sempre abrigar os componentes eltricos de maneira segura, permitindo ampliao (escalabilidade), e facilitando a rpida troca dos componentes (integrabilidade).

Para a escolha do invlucro duas solues podem ser adotadas; caixa ou painis modulares.

A primeira soluo utilizar uma estrutura fixa, tipo caixa, e assim dimensionar o invlucro prevendo futuras ampliaes, ou seja, deixando espao de sobra. Adotando-se essa soluo medida que a mquina vai incorporando funes os espaos do painel vo sendo preenchidos pelos componentes eltricos at atingir sua capacidade mxima. Essa soluo embora seja um pouco mais econmica, pois o preo de uma caixa menor que o preo de um painel modular, deve ser adotada quando se tem uma ideia clara de todas as possveis ampliaes que a mquina pode vir a sofrer durante a sua vida til. Caso contrrio pode se tornar um grande problema e comprometer os requisitos de reconfigurabilidade da mquina.

A FIGURA 18 a seguir exemplifica dois invlucros com estrutura fixa utilizados em montagens eltricas diversas.

FIGURA 18 Mdulo funcional Abrigar Caixa

Fonte: (Schneider, 2010; Tonon 2012) A outra soluo que pode ser aplicada para abrigar a parte

eltrica de uma mquina reconfigurvel a utilizao de painis modulares os quais permitem a ampliao. Este tipo de painel utilizado em grande parte das instalaes industriais.

Os painis modulares so projetados seguindo os conceitos de modularidade, ou seja, so disponibilizados em

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forma de kits, com grande diversidade de elementos, aonde possvel obter vrias configuraes de montagem, sendo possvel tambm ampliar o painel depois de montado proporcionando escalabilidade montagem. So formados por estruturas perfiladas previamente furadas permitindo montagem rpida e fcil. A FIGURA 19 a seguir ilustra os mdulos de um painel modular e suas respectivas etapas de montagem.

FIGURA 19 - Mdulo funcional Abrigar - Painel modular

Fonte: (Cemar, 2011)

3.1.2 Fixar No mdulo funcional fixar encontram-se os elementos que

so utilizados para a fixao dos componentes no painel. Esses elementos embora no tenham caractersticas reconfigurveis intrnsecas, podem conferir essas caractersticas aos componentes que sero fixados ao painel. Assim a escolha desses elementos deve ser pensada em termos dos benefcios que traro aos componentes que sero fixados.

A fixao dos componentes na placa de montagem pode ocorrer de duas maneiras, fixao do componente diretamente na placa ou fixao atravs de trilhos que permitem a remoo do componente. A FIGURA 20 ilustra os componentes de fixao.

FIGURA 20- Mdulo funcional Fixar

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Na fixao direta o componente parafusado diretamente na chapa de montagem atravs de parafusos, este tipo de fixao no permite uma remoo rpida do componente e tambm exige a furao da chapa para sua fixao, isso traz a desvantagem de ter que realizar uma nova furao da chapa no caso de troca do componente por um de tamanho diferente ou mesmo em caso de ampliao do painel. Este tipo de fixao compromete a reconfigurabilidade do painel, pois impede sua escalabilidade. Na construo de um painel reconfigurvel este tipo de fixao deve ser evitado sempre que possvel, a FIGURA 21 ilustra uma aplicao aonde os componentes utilizados foram parafusados diretamente na placa de montagem, isto dificulta a remoo do componente comprometendo os requisitos de convertibilidade e escalabilidade. Entretanto em alguns casos, parafusar o componente diretamente na placa a soluo mais confivel, isto acontece com componentes que so muito robustos ou que esto sujeitos a esforos mecnicos nas operaes de manobra, como o caso de chave seccionadora fusvel e grandes disjuntores. Nestas situaes esta soluo pode ser utilizada, porm deve ser avaliada pelo projetista se no afeta a reconfigurabilidade do painel.

FIGURA 21 Componentes Fixos placa

(Fonte do Autor) Outra opo para a fixao de componentes ao painel a

utilizao de trilhos metlicos de encaixe rpido, conhecidos como trilhos DIN (Deutsches Institut fur Normung). Esses trilhos so padronizados pela norma europeia EN 60715 e sua

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utilizao em painis eltricos vm de encontro aos princpios de reconfigurabilidade ao permitir que componentes eltricos sejam adicionados ou removidos do painel de maneira rpida garantindo a fixao segura dos componentes. A grande maioria dos componentes eltricos possui sistema de fixao que se adapta ao trilho DIN proporcionando assim escalabilidade e convertibilidade ao painel eltrico.

Os trilhos so inicialmente fixados placa de montagem por meio de arrebites ou parafusos e posteriormente os componentes so encaixados nestes trilhos. A FIGURA 22 ilustra o trilho DIN padro.

FIGURA 22- Trilho DIN Fonte: (Phoenix Contact, 2011)

Segundo a norma NBR IEC 60439-1 um painel eltrico

dependendo da aplicao pode ser construdo utilizando-se de montagens fixas ou extraveis. A caracterstica de ser extravel pode ser obtida pelo projeto da estrutura do painel, (utilizao de compartimentos com gavetas extraveis, onde os componentes eltricos convencionais so montados dentro de gavetas), ou pela utilizao de equipamentos eltricos com caractersticas extraveis (utilizao de componentes eltricos que podem ser removidos e substitudos sem a utilizao de ferramentas especiais).

Essa funcionalidade de poder remover um componente, ou um conjunto de componentes de forma segura e muitas vezes sem a necessidade de ferramentas facilita os trabalhos de manuteno, reduzindo os tempos de parada das mquinas. Em alguns casos a remoo e insero dos componentes acontecem com o conjunto energizado, limitando a desconexo de energia apenas ao ramal que necessita de interveno. Em mquina

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CNC no utilizado o sistema de gaveta extravel, com isso os prprios componentes do painel devem possuir caractersticas que facilitem a sua remoo ou fixao.

Segundo a norma, a montagem dos componentes eltricos no painel pode se dar atravs de placa de montagem ou em estrutura de montagem. A utilizao de placas de montagem tem como vantagem o fato de poder ser fixados componentes de diferentes tamanhos (alturas), porm, deve-se fazer uso de um sistema auxiliar de fixao, como o uso de trilhos DIN, para garantir sua rpida retirada ou insero. A utilizao de estrutura de montagem permite que o componente seja fixado diretamente na estrutura atravs de sistema de encaixe dispensando o uso de trilhos de fixao, essa facilidade melhora a escalabilidade do painel, porm o inconveniente que os todos os componentes devem possuir a mesma altura para que sejam fixados estrutura. A FIGURA 23 abaixo ilustra as montagens em placa, estrutura e extravel.

FIGURA 23- Montagem fixa e extravel

Fonte: (NBR IEC 60439)

3.1.3 Ligar/ Desligar e sinalizar A funo eltrica de ligar ou desligar em um painel eltrico

realizada por chave. A chave um componente eletromecnico utilizada para ligar, desligar ou simplesmente direcionar a corrente eltrica. Em aplicaes industriais so utilizadas chaves com alta capacidade de corrente para ligar ou desligar circuitos

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de potncia, como as chaves seccionadoras, ou chaves com baixa capacidade de corrente utilizadas nos circuitos de comando para criar lgicas de acionamento. As chaves com baixa corrente so conhecidas como botes impulso, botoeira ou boto de comando. J as chaves com alta capacidade de corrente so as chaves rotativas. Os sinalizadores luminosos so utilizados para informar aos operadores a condio (estado) da mquina. No mdulo funcional Ligar/Desligar e sinalizar, esto alocados, portanto a chave rotativa, o boto de pulso e os indicadores luminosos conforme mostra a FIGURA 24.

FIGURA 24 - Mdulo funcional Ligar/Desligar e sinalizar

Os botes de pulso e os indicadores luminosos podem ser

encontrados em diversos tamanhos podendo ser modulares ou no. Em um boto de pulso modular possvel configurar os contatos da maneira desejada, pois os blocos de contatos so vendidos separadamente e so encaixados no corpo do boto.

A conexo de um boto de pulso ou um sinalizador luminoso fiao realizada por meio de parafuso de aperto ou por solda. Em um painel eltrico reconfigurvel no se deve realizar conexes com o uso de solda, pois esta soluo no atende aos requisitos de reconfigurabilidade, com isso deve-se sempre dar preferncia a botes e sinalizadores conectados por parafusos.

Uma novidade da indstria no ramo dos botes de impulso so os botes que funcionam sem fio. Esses botes podem ser colocados ao longo das mquinas, ou mesmo no painel para ligar ou desligar algum circuito no sendo mais necessrio levar a fiao de comando at o boto. Seu princpio de funcionamento baseado na tecnologia ZigBee de comunicao sem fio. Essa

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tecnologia de transmisso empregada para baixa taxa de transmisso de dados com baixa potncia de operao e baixo custo de implantao, sendo uma tecnologia de transmisso ideal para este tipo de aplicao. O boto de impulso composto por um transmissor de sinais e um gerador de energia eltrica tipo dnamo, e ao ser pressionado produz a energia necessria para transmitir a informao at um receptor localizado dentro do painel. O receptor possui rels de sada que funcionam como os contatos dos botes de pulso normal. A limitao no emprego deste tipo de boto quanto ao uso em aplicaes de segurana (parada de emergncia da mquina), neste caso o boto deve necessariamente ser interligado atravs de fiao. A FIGURA 25 a seguir ilustra os diversos tipos de boto de impulso.

FIGURA 25 - Modelos de botes disponveis

Fonte: (Rafi, 2012; Schneider, 2011 ; WEG, 2011)

Para o projeto de um painel eltrico reconfigurvel os botes sem fio se mostram como a soluo ideal, pois alm de modulares, possuem a melhor interface de conexo garantindo a melhor integrabilidade. Os botes e sinalizadores que so interligados por solda no so modulares e seu sistema de conexo apresenta a pior integrabilidade alm de dificultar a manuteno. Uma soluo intermediaria a utilizao de botes e sinalizadores com conexo por parafusos, pois alm de modulares apresentam uma boa interface de conexo.

3.1.4 Ventilar/ Refrigerar Em um painel eltrico os componentes por onde ocorre

a circulao de corrente eltrica transformam-se em fontes de gerao de calor, sendo este calor dissipado para o ambiente interno do painel. Pelo fato do invlucro ser fechado as trocas de

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calor entre o ambiente interno e externo ocorrem principalmente entre a superfcie do invlucro e o ar do ambiente externo, ocorrendo ainda o fenmeno de reflexo de parte deste calor nas paredes do invlucro. O aumento da temperatura pode causar paradas inesperadas nas mquinas e tambm contribui para a diminuio da vida dos componentes. Em painis para comando de mquinas CNC deve-se utilizar algum sistema que mantenha a temperatura interna do painel constante e assim proteger os drives de acionamento e os componentes eltricos. A FIGURA 26 ilustra o mdulo funcional Ventilar/ Refrigerar e os principais componentes que so utilizados para manter a temperatura constante em um painel eltrico.

FIGURA 26- Mdulo funcional Ventilar

Em casos nos quais ocorram grande dissipao de calor,

ou que exijam controle rigoroso de temperatura e umidade ou ainda em ambientes agressivos e com pouca ventilao so utilizados condicionadores de ar ou trocadores de calor montados na porta ou no teto do painel.

Em painis de mquinas CNC o sistema de refrigerao mais utilizado para remover o calor interno o de ventilao forada, compostos por ventilador, responsvel pela movimentao do ar, veneziana e filtro de poeira que diminui a entrada de partculas em suspenso contidas no ar. Os sistemas podem ser montados aspirando ou insuflando o ar. Utiliza-se o mtodo de insuflar o ar no painel para criar uma presso positiva no interior do painel e assim reduzir a entrada de poeira por vedao deficiente, sendo este mtodo recomendado para locais com muita poeira. Seguindo os critrios de reconfigurabilidade a refrigerao do painel deve seguir os conceitos do mdulo

Ventilao Forada

Mdulos, sistemas e componentes

Ar-Condicionado

Trocador de Calor

VENTILAR/ REFRIGERAR

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funcional abrigar, ou seja, ao utilizar uma caixa fixa para as montagens o sistema de refrigerao deve ser calculado para o limite mximo de componentes que o invlucro poder ter, mesmo que inicialmente o sistema de ventilao fique superdimensionado. Essa precauo deve ser tomada, pois com a utilizao de caixas fixas um aumento na capacidade de ventilao pode envolver nova furao no invlucro para a colocao de um sistema de ventilao maior o que pode comprometer a caracterstica de escalabilidade. No caso da utilizao de sistemas modulares de invlucros o dimensionamento do sistema de ventilao pode ser realizado em funo dos componentes instalados e havendo ampliao da carga possvel trocar os componentes do invlucro (laterais, teto, tampa frontal) com um novo sistema de ventilao j dimensionado para a nova capacidade de maneira rpida e prtica. A FIGURA 27 a seguir ilustra um sistema de ventilao forada de ar montado nas laterais do painel com as respectivas entrada e sada de ar.

FIGURA 27- Ventilao forada de ar

Fonte: (Unikey, 2011)

3.1.5 Proteger

De acordo com a NR-12 as mquinas eltricas, tais

como as CNCs, devem possuir em seu painel eltrico dispositivos de proteo contra sobrecorrente causadas por uma eventual sobrecarga do sistema ou mesmo um curto-circuito. Essa proteo se faz necessria, pois em uma eventual

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anormalidade de funcionamento deve ocorrer a interrupo do fornecimento de energia eltrica ao circuito no menor tempo possvel a fim de evitar avaria dos cabos e componentes do sistema. Os componentes eltricos utilizados em mquinas destinados a este tipo de funo so o disjuntor e o fusvel. A FIGURA 28 ilustra o mdulo funcional proteger.

FIGURA 28 - Mdulo funcional Proteger

3.1.5.1 Disjuntor

Os disjuntores mais utilizados para a proteo de

mquinas seguem a norma NBR IEC 60947-2, relativa a disjuntores industriais, e so do tipo caixa moldada. Esses dispositivos so utilizados para proteo contra sobrecorrentes que compreendem as correntes de sobrecarga e curto-circuito. Possuem como mecanismos de proteo um disparador trmico para a proteo de sobrecargas e um disparador magntico utilizado em casos de curto-circuito sendo que estes disparadores em muitos casos podem ser ajustados.

Do ponto de vista de utilizao em mquinas reconfigurveis podem ser uma soluo atrativa, pois apresentam boa modularidade podendo incorporar acessrios como: bobina de subtenso, bobina de desligamento e contatos auxiliares de sinalizao, dentre outros, possibilitando com isso comando e sinalizao distncia. A fixao dos disjuntores na maioria dos casos ocorre atravs de trilhos DIN garantindo a fixao rpida do dispositivo e melhorando a escalabilidade. Em caso de atuao por sobrecorrentes somente necessrio o seu rearme, dispensando com isso a troca do componente. Entretanto em manuteno, que exige a troca do componente, necessrio remover os cabos de ligao do disjuntor antes de remov-lo do painel, isto do ponto de vista de reconfigurabilidade, representa uma desvantagem em relao a

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outros dispositivos de proteo. A FIGURA 29 ilustra um disjuntor em caixa moldada com seus respectivos acessrios.

FIGURA 29- Disjuntor em caixa moldada para baixa tenso

Fonte: (WEG, 2011)

3.1.5.2 Fusvel Os fusveis so elementos de proteo que atuam pela

fuso do elemento fusvel, interrompendo a circulao de corrente do circuito no qual esto instalados. A fixao dos fusveis no painel feita atravs de base fusvel ou de chaves seccionadoras que permitem a abertura do circuito sobre carga, tanto a base quanto chave seccionadora so fixadas atravs de trilhos de engate rpido garantindo escalabilidade ao componente. Em caso de atuao o fusvel precisa ser trocado, porm como o cabeamento fixado sua base de ligao e esta fixada ao painel, sua troca facilitada exigindo pouco esforo e contribuindo para a diagnosticabilidade.

Os fusveis em relao aos disjuntores apresentam uma proteo mais eficaz para equipamentos que contenham semicondutores de potncia, tpico dos drives de acionamento, devido ao seu tempo mais curto de atuao.

Comparando o fusvel e o disjuntor em termos de reconfigurabilidade do painel pode-se afirmar que o disjuntor mais vantajoso pelo fato de ser mais modular e permitir a incorporao de acessrios, visto que o sistema de fixados dos dois dispositivos semelhante e a interface para conexo do cabeamento nos dois casos feita atravs de parafusos de aperto. A FIGURA 30 ilustra os diversos tipos de fusvel de uso industrial

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FIGURA 30 Fusvel tipo NH, D e cartucho

Fonte: (WEG, 2011; Bussmann 2011)

3.1.5.3 Disjuntor e interruptor Diferencial DR A NR-12 recomenda que as mquinas devam possuir

proteo suficiente para prevenir os riscos de choque eltrico e evitar incndios e exploses. A isolao das partes vivas da mquina, utilizao de sistemas de aterramento, equipotencializao e utilizao de extra-baixa tenso so solues bsicas para este tipo de proteo. Como proteo complementar utiliza-se um dispositivo eltrico conhecido como disjuntor ou interruptor diferencial residual (DR). Este dispositivo capaz de monitorar a corrente de fuga terra do circuito e passando de um valor mximo o circuito interrompido pelo DR.

Os DRs disponveis so de alta e baixa sensibilidade. Os de alta sensibilidade (30mA) so utilizados para a proteo de pessoas contra contatos acidentais com partes energizadas, j os DRs de baixa sensibilidade (300mA ou 500mA) so utilizados para a proteo das mquinas contra risco de incndios ou exploses (Cotrim, 2009). So fixados diretamente em trilhos DIN o que garante sua modularidade e escalabilidade. A FIGURA 31 a seguir ilustra um DR trifsico. Os DRs do ponto de vista de requisitos de reconfigurabilidade so semelhantes aos disjuntores.

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FIGURA 31 DR Trifsico Fonte: (Schneider, 2011)

3.1.6 Intertravar

As funes de comando e intertravamento em um painel eltrico podem ser realizadas por contatores ou rels. Os rels eletromagnticos e os contatores tm caractersticas de funcionamento similar atuando por princpios magnticos, onde uma bobina percorrida por uma corrente atrai uma parte mecnica mvel, e servem para manobra de cargas e controle de circuitos (BONACORSO; NOLL, 2006). Uma caracterstica destes dispositivos que a tenso de sada isolada e independente da tenso de entrada, com isso a tenso da bobina pode ser menor que a tenso dos contatos podendo ainda controlar sinais de tenso contnua por meio de tenso alternada e vice-versa. A FIGURA 32 ilustra este mdulo funcional.

FIGURA 32- Mdulo funcional Intertravar

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3.1.6.1 Rel

O rel um dispositivo eltrico que produz modificaes em suas sadas, quando certas condies so satisfeitas no circuito de entrada que controla o dispositivo. Podem atuar em circuitos de comando, medio e controle podendo incorporar funes, como: temporizao dos contatos, sensor de falta de fase, sobretenso, sobrecorrente e etc (BONACORSO; NOLL, 2006).

Seu funcionamento pode se dar por princpios eletromecnicos com atuao por bobina, ou atravs do uso de componentes semicondutores que dispensam o uso de bobina e partes mveis conhecidos como rel de estado slido- SSR (solid state relay). A Tabela 2 abaixo mostra as vantagens e desvantagens da utilizao do rel de estado slido e do eletromecnico.

Tabela 2 - Comparativo Rel SSR e eletromagntico

Rel SSR Rel Eletromagntico

Vantagens

- Ausncia de contatos - Longa vida til - Tempo de resposta menor - Compatibilidade com microprocessadores

-Custo -Contatos Mltiplos -No necessita dissipador -Baixa tenso de contato

Desvantagens

- Dissipao de potncia - Custo - Disponvel somente na configurao NA - Queda de Tenso mais elevada

- Resposta mais lenta - Tempo de vida dos contatos limitada - Necessidade de mdulos adicionais para eliminar rudos da bobina

Fonte: (O Setor Eltrico, 2011) Do ponto de vista da reconfigurabilidade tanto o rel

eletromecnico quanto o de estado slido possuem pequena dimenso ocupando pouco espao no painel, e base de fixao com engate em trilho DIN, proporcionando tima escalabilidade.

Seu sistema de conexo dos cabos pode ser realizado por molas de presso o que facilita sua retirada em caso de manuteno e refora a diagnosticabilidade. O rel de estado slido possui a desvantagem de somente ser disponibilizado com a configurao de contato aberto (NA), restringindo a sua utilizao.

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3.1.6.2 Contator O contator utilizado para estabelecer, conduzir e

interromper correntes