envasadora automatizada com manipulador...
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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
JOÃO PEDRO AMORIM
TIAGO JOSÉ DE BRITO
ENVASADORA AUTOMATIZADA COM MANIPULADOR ROBOTICO
GARÇA
2016
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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
JOÃO PEDRO AMORIM
TIAGO JOSÉ DE BRITO
ENVASADORA AUTOMATIZADA COM MANIPULADOR ROBOTICO
Artigo Científico apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC, como requisito
parcial para a conclusão do Curso de Tecnologia
em Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte comissão de professores:
Data da Aprovação:
________________________________
Prof. (a) Adalberto Sanches Munaro
FATEC Garça
________________________________
Prof. (a) (membro da banca)
FATEC Garça
________________________________
Prof. (a) (membro da banca)
FATEC Garça
GARÇA
2016
ENVASADORA AUTOMATIZADA COM MANIPULADOR ROBOTICO
João Pedro Amorim
Tiago José De Brito [email protected]¹
Profº: Adalberto Sanches Munaro²
Resumo - O principal desafio das empresas do mercado de envase de líquidos está em como se tornarem mais competitivas operacionalmente, procurando a produtividade de suas linhas de envase. A indústria em geral está preocupada com a inovação nos processos de produção, o que significa maior utilização de tecnologias. Esta mudança de comportamento demonstra uma tendência influenciada por diversos fatores, como a eficiência de processo, mais segurança no produto final e rapidez, tendo em vista um mercado cada vez mais concorrido. Os fatores em questão motivaram a escolha do tema, cujo objetivo é criar um equipamento de envasamento de produtos líquidos, com a utilização de um manipulador robótico pneumático para automatizar o processo de embalagem, a fim de substituir o ser humano em movimentos repetitivo, o que pode causar lesões ao corpo humano essa melhorias propicia, um produto final de qualidade, com rapidez e baixo custo do processo. O protótipo possibilitou a eficiência do processo garantindo menos perdas de tempo de produção bem como minimizou o desperdício de matéria prima, podendo garantir assim, garantindo assim melhores taxas de lucro para empresas do setor. A pesquisa está embasada em leituras qualitativas e como metodologia, a construção de um protótipo, o qual ira confirmar a eficácia da teoria e as questões colocadas reflete a relevância do tema.
Palavras-chave: Processos de Produção. Envase de Líquidos. Tecnologia.
Abstract - The main challenge for companies in the liquid packaging market is to become more competitive operationally, looking for the productivity of their filling lines. The industry in general is concerned with innovation in production processes, which means greater use of technologies. This change of behavior demonstrates a trend influenced by several factors, such as process efficiency, more safety in the final product and quickly, given an increasingly competitive market. The factors in question led to the choice of subject, whose goal is to create a device of liquid products filling, using a pneumatic robotic manipulator to automate the packaging process in order to replace humans in repetitive movements, which may cause injury to the human body such improvements it provides a final quality product, fast and low cost process. The research is grounded in qualitative readings and as a methodology, building a prototype, which will confirm the effectiveness of the theory and the questions reflect the relevance of the topic.
Keywords: Production processes. Filling liquids. Technology
1 Alunos do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial- Fatec-Garça. ² Docente do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial- Fatec-Garça
1. INTRODUÇÃO
Atualmente, a inovação tornou-se imprescindível nos processos de produção
industrial, com maior utilização de tecnologias, o que propicia mudança de
comportamento, influenciada por diversos fatores, dentre eles, a eficácia no
processo, com mais rapidez e segurança no produto final, tendo em vista um
mercado cada vez mais concorrido, exigindo produtos com mais qualidade.
A automação tem papel fundamental na melhoria dos processos de produção,
devido sua flexibilidade e por agregar melhorias e rapidez. De acordo com Rosário
(2009, p.23)
Um conceito mais abrangente de automação pode ser definido como a
interação de conhecimentos substituído a observação, os esforços e as
decisões humanas por dispositivos (mecânicos elétricos e eletrônicos,
entre outro se softwares concebidos por meio de especificações
funcionais e tecnológicas, com uso de metodologias.
Nesse contexto, encontra-se o processo de envase de líquidos, em substituição
ao método tradicional empregado nas pequenas e medias empresas, lento e às
vezes de difícil manuseio, com elevada demanda de tempo e custo de mão-de-obra,
o que engessava o processo.
Doenças por esforços contínuos está cada vez mais presente na vida do
trabalhador, devido à necessidade de muitas vezes de fazer movimentos repetitivos
utilizando sempre os mesmos membros do corpo, como no setor de
acondicionamento dos recipientes em caixas na indústria de envasamento.
Para tanto, buscou-se uma linha de processo de envase automatizada, a qual
veio contribuir para o desenvolvimento do setor, tornando as indústrias mais
competitivas, com a utilização de um modelo tecnológico para um melhor
aproveitamento da capacidade de seus equipamentos.
Nesse contexto o projeto foi desenvolvido com um sistema mecatrônico,
composto por esteiras, envasadora rotativa intermitente e um braço mecânico
articulado pneumático para acelerar o processo de embalagem dos recipientes
envazado. A utilização de um Controlador logico programável para controlar o
processo e os movimentos do manipulador robótico é um diferencial no
desenvolvimento do projeto.
1.1 OBJETIVOS
1.2 Geral
Avaliar equipamentos e tecnologias atuais para entender suas funções na busca
de alternativas que viabilizem o desenvolvimento de um protótipo mecatrônico para
diagnostico processo de automação dentro da indústria.
1.3 Específicos
Desenvolver um protótipo de uma linha de produção de envase de produtos
líquidos automatizada, e a utilização de um manipulador robótico para facilitar o
processo de acondicionamento em caixas.
1.4 Relevância do Projeto
.
Segundo Rosário (2009, p 220)
A limitada capacidade tecnológicas de muitas empresas nacionais é
evidente. A atitude em face de inovação tecnológica é, em muitos casos,
passiva, orientada pela preocupação de reproduzir o que os outros
fizeram, de imitar sem acrescentar algo. O ritmo de mudança e a
Economia do reconhecimento criam novos desafios.
Com a confecção do protótipo é possível melhorar a eficiência produtiva da
média e pequenas industrial do mercado de envaze, minimizando os desperdiço, e
assegurando a qualidade do produto, bem como minimizando custo de produção
garantindo assim um melhor lucro para a instituição.
Com a implantação do manipulador robótico é possível de fazer a retirada de
um possível trabalhador que faria movimentos repetitivos, para colocá-lo em uma
função mais “nobre”, realocando o indivíduo do processo de acomodação em caixas.
A automação do processo assegura o equipamento confiabilidade, devido ao
controle do CLP, que ira controlar todo o processo de envase e dos movimentos do
manipulador, atribuindo mais autonomia ao operador para realizar outros trabalhos
enquanto a máquina funciona.
2. DESENVOLVIMENTO
Nesta etapa será definido o que é o processo de envase, quais
equipamentos e tecnologia são usadas, o desenvolvimento do protótipo, testes com
o protótipo e analise dos resultados.
2.1 Referencial Teórico
Para o crescimento continuo de uma empresa, é necessário focar no custo,
na melhoria da qualidade do produto e rapidez na produção. Para isto, na linha de
processo de envase é necessário o entendimento de alguns tópicos:
Processo de envase: O envase de líquido tem sua aplicabilidade
destinada aos setores de produção de líquidos em geral, tais como:
produção de refrigerante, energético, cosméticos, água e cerveja. Um
típico sistema de envasamento de líquidos funciona a partir de um fluxo
contínuo de entrada de frascos e líquidos e de saída final de recipientes
envasados. O líquido entra por bocais apropriados passando por um
sistema de filtragem antes de chegar à máquina envasadora, enquanto os
frascos são conduzidos desde o início até o final do processo por esteiras
ou transportadores.
Equipamentos e Tecnologia: O equipamento será controlado por um
CLP (controlador logico programável), devido sua eficiência na segurança
de controle do processo, serão ligados ao CLP FP-X0 L40MR –
PANASONIC todos os sensores realizaram o controle e direcionamento
qual dos atuadores irá atuar corretamente em conformidade com o que foi
programado. Será utilizada a linguagem de programação em LADDER,
devido à mesma ser a mais utilizada na indústria e sua facilidade de
compreensão por profissionais ligados a área da elétrica e automação.
Segundo Franchi, Camargo (2009, p.26) “uma das grandes vantagens de
utilizarmos o CLP deve-se ao fato de possuir características de programação que o
tornam mais eficiente que outros equipamentos industriais.”.
2.1.1 Controlador Lógico Programável - CLP
Os Controladores Lógicos Programáveis ou CLP´s são equipamentos
eletrônicos utilizados nos mais diversos sistemas de automação industrial e
residencial. São dispositivos de trabalho versáteis para aplicações em sistemas de
controle, isso explica sua grande aceitação na indústria. Suas plataformas de
programação permitem desenvolver uma lógica eficaz e de fácil compreensão, para
acionamento das saídas em função das entradas. Desta forma, podemos associar
diversos sinais de entrada para controlar diversos atuadores ligados nos terminais
de saída.
Anterior a invenção do CLP os processos eram controlados por comandos
elétricos, os quais ocupavam um grande espaço físico. Caso houvesse a
necessidade de realizar alguma alteração com a finalidade de melhorias, ou mesmo
a necessidade de reparos, seria necessária desmontar muitos painéis de comandos
elétricos, fator que envolveria um grande número de pessoas, além de uma
considerável perda de tempo.
Assim, tornou-se possível simplificar a alteração dos processos, reduzindo
tempo, mão-de-obra e obtendo, consequentemente, lucros significativos. Com a
evolução da tecnologia, houve grandes avanços e aperfeiçoamentos das funções do
CLP, consequentemente o seu uso também expandiu.
2.1.2 CLP – FP-X0 L40MR – PANASONIC
O CLP ( da linha FP – x0), mostrado na figura 01, foi desenvolvido pela
empresa Panasonic, com objetivo de atender diversas necessidades de automação,
sendo muito utilizado na indústria, ele caracteriza-se por ser um controlador
completo devido podermos encontrar em sua programação as funções como
memórias, temporizadores, contadores, e lógica Booleana que podem ser utilizadas
nas mais diversa programação inclusive em automação complexas,
Essas características foram consideradas para a escolha deste CLP, para ser
o controlador do equipamento recebendo as informações e enviando os sinais
corretos para os atuadores.
Algumas particularidades do FP-X0 L40MR:
24 entradas digitais de 24 Vcc;
Tensão da alimentação bivot
Entrada de 24 V DC, 24 pontos
4 pontos de saída do transistor / 5-24 V
16 saídas digitais a relê, protegidas contra curto-circuito;
256 contadores crescentes e decrescentes (0 a 65535);
256 temporizadores (0 a 655 segundos) com precisão de 0,01 s;
256 registradores e 160000 flags (10000 flags words);
Capacidade de memória de 256 Kb;
Proteção contra inversão de polaridade de alimentação;
LEDs indicadores de operação;
Software de programação FST por diagrama de contatos (ladder);
Interface serial (padrão RS232c) interligada ao PC por meio de cabo;
Figura 01- CLP – FP-X0 L40MR.
Fonte: MALLAUTOMATION (2016).
2.1.3 Manipuladores robóticos
Os manipuladores robóticos estão cada vez mais presentes nas indústrias
devido a crescente necessidade de se realizar tarefas com eficiência e precisão,
bem como existem tarefas a serem realizadas em lugares de risco onde a presença
humana inapropriada, ou para substituir o homem em trabalhos repetitivos que
podem causar lesões para o corpo humano, como A LER – Lesões por esforços
repetitivos.
De acordo com Codo (1995), os motivos de riscos na organização do trabalho
responsáveis pelas LER, estão ligados ao sistema taylorista/fordista que defende um
ritmo de trabalho de alta repetitividade, associado a uma proposta contrária ao
mesmo, ou seja, a incompatibilidade de se associar força de trabalho às novas
tecnologias que necessitam da presença ativa do cérebro.
Segundo dados do INSS, as lesões por esforços repetitivos são a segunda
causa de afastamento do trabalho no Brasil. De acordo com a Organização Mundial
de Saúde, a cada 100 trabalhadores na região Sudeste, um é portador da síndrome.
A fim de minimizar esse quadros da organização mundial da saúde e
necessário a implantação desses sistemas robóticos, que as realizam sem risco a
vida humana e garantes eficiência ao processo.
Sistemas robóticos são dispositivos mecânicos versáteis equipados com
sensores e atuadores, sob o controle de um sistema computacional.
Os robôs fixos também conhecidos como manipulador robótico são utilizados
para manipular objetos, nas mais variadas aplicações, de campos desde a área
industrial, como a soldagem, pintura até a na medicina, onde tem papel importante
na realização de cirurgias.
2.1.3.1 - Manipulador pneumático
Os manipuladores pneumáticos são equipamentos que tem a função de
manipulação de matérias e produto nos mais variados seguimentos da indústria. A
grande característica desses equipamentos é a rapidez em que se pode realizar os
movimentos, porem sua dificuldade esta relacionada à precisão na manipulação de
materiais, não sendo adequado para fins, onde necessita-se de alta exatidão ou
necessidade de variados pontos de sincronismo. Esses dispositivos de manipulação
aumentam a produtividade e garantem redução de custos.
Este modelo de manipuladores são equipamentos compostos por elementos
articulados, cuja função é transportar objetos entre pontos distintos, através de
movimentos determinados por comando, sendo ele poder ser manual ou utilizando a
um controlador. O dispositivo mecânico adquire sua capacidade de funcionamento
através da força do ar comprimidos, direcionado por válvulas.
Cada modelo é elaborado e customizado especificamente para atuação de
um tipo segmento, podendo ser utilizado alguns tipos de garras ou similares para
segurar os objetos, podendo ser ventosas e garras mecânicas ou pneumáticas até
elementos magnéticos, conforme mostrado na figura 02.
Figura 02 – Manipulador Pneumático Manibo.
Fonte: DIRECTINDUSTRY (2016).
2.1.3.2 - Mecanismo do sistema pneumático
Em síntese, um sistema pneumático consiste em puxar o ar da atmosfera
através de um compressor, e armazena-lo e posteriormente direcioná-lo através de
válvulas para as partes do equipamento onde há necessidade, este sistema é viável
nas diversos meios da indústria por conter características de facilidade de
implantação e manutenção, Resistência a ambientes hostis.
O transporte do ar comprimido é feito por meio das tubulações e os
movimentos dos pistões e eixos existentes na estrutura da máquina é orientado
através do acionamento das válvulas seja elas manuais ou até mesmo
eletroválvulas, essa condições possibilita a realização das mais diversas funções de
equipamentos, como os manipuladores pneumáticos.
Este sistema é prático, veloz e resistente, ideal para movimentos de maneira
repetitiva sua característica principal e a eliminação de ar no decorrer de sua
utilização, diferente do sistema hidráulico onde os fluidos podem ser reutilizados.
Para processos onde exige grande quantidade de força esse sistema se torna
ineficiente devido ao sistema uma pressão baixa, comparada ao sistema hidráulico.
2.1.4 Componentes Mecânicos
Os componentes mecânicos são dispositivos simples, que atua a partir de
força motriz para desempenhar algum tipo de tarefa, estes elementos mecânicos
são comuns na indústria, nas configurações da maquinas, os quais exercem papel
fundamenta em movimentos variados, os mais conhecidos são: arruelas, anéis de
vedação, chavetas, correias, mancais, parafusos, molas e rolamento, entre outros
elementos de igual importância.
Essa gama de diferentes dispositivos cria inúmeras possibilidades das mais
variadas máquina, podendo ter aplicações complexas e de funções específicas. Os
componentes mecânicos necessitam de cuidados e reparos para conseguir
prolongar a vida útil, devido a desgaste, visto a necessidade de horas que são
estimulados.
Os rolamentos são dispositivos que podem rolar, e servem para reduzir o
atrito entre a superfície do rolamento e a superfície que está sendo rolada, fazem
uso de uma estrutura relativamente simples: uma roda, com uma superfície interna e
externa de metal liso, e esferas que apoiam o peso da carga impulsionando a
rotação do rolamento.
2.2 METODOLOGIA DO PROTOTIPO
A metodologia empregada é o desenvolvimento experimental de um protótipo
utilizando recursos mecatrônicos para viabilidade do projeto proposto no qual é
constitui em uma linha de produção de envasamento e acomodação em caixas,
voltado para indústrias do seguimento de envase de líquidos.
O equipamento é controlado por um CLP, devido sua eficiência segurança de
controle do processo, foi ligado a ele todos os sensores para que ele possa
direcionar qual é o atuador correto a atuar em conformidade com o que foi
programado. Devido à facilidade de compreensão e de ser a tecnologia mais
utilizada na indústria, foi usado à linguagem de programação em LADDER.
O modelo de envasadora adotado para a realização do protótipo é de uma
rotativa intermitente, que se diferencia devido à necessidade de um transportador
giratório onde o mesmo tem vincos com o formato do recipiente que deverá ser
envazado, ele tem a função de transportar o recipiente até o bico injetor onde recebe
o a substancia desejada e posteriormente levado à tapagem.
A melhoria no processo é a colocação de um manipulador robótico
pneumático ao final do processo de envase e tapagem, no qual terá a função de
colocar esses fracos em uma embalagem adequada para fazer sua comercialização.
Esse dispositivo tem grande vantagem, pois assegura alta produtividade em uma
segurança produto, além de garantir eficiência ao processo de produção.
2.3– Funcionamento
Adotando metodologias de funcionamento utilizadas nas industriais o
processo contara com sensores para coletar as informações do equipamento e
enviar ao controlador, para possa ter informações suficiente para fazer o controle de
todo o processo, para tanto foi confeccionado um painel elétrico, conforme mostrado
na figura 03, o protótipo possui atuadores pneumáticos, motores e eletrobomba,
realiza as funções de saída que o CLP necessitar.
Figura 03 – Painel elétrico da envasadora
Fonte - Os Autores (2016)
No início do processo, o recipiente é depositado manualmente sobre a esteira
alimentadora, posteriormente recipiente será levado até o transportador rotativo, o
funcionamento da esteira será continuo a fim de não deixar faltar frasco a
envasadora e evitar o desligamento constante do motor causando picos de corrente
ao religar.
A envasadora será constituída de vários componentes que garantiram um
processo seguro e eficiente, os principais são citados abaixo:
Esteiras
Transportador
Moto bomba e bico injetor
Transportador de tampas
Tapador rotativo
O projeto em questão possui esteiras de transporte dos recipientes, as
mesmas possuem estrutura de aço e a lona de transporte é a do tipo sanitária,
utilizada nos mais diversos seguimentos da indústria, o movimento de tração da
esteira é realizada pelo motor de corrente continua, conforme figura 04.
Figura 04 - Dados técnicos do motor mabuchi.
.
Fonte: MLB-D1-P.MLSTATIC(2016)
Para melhor deslizamento do conjunto da esteira foi colocado dois roletes um
para a tração outro para outra ponta da esteira sendo esse tracionado pela própria
esteira, o rolo de tração foi usinados em aço com deslizamento em rolamento de
esfera fixado o motor e o rolete da usinado em polímero deslizando sobre um eixo
de aço.
O transportador tem a função de transferir o frasco para o bico de envase e
posteriormente ao tapador rotativo, o mesmo confeccionado em acrílico em formato
circular, terá vincos de encaixe dos frascos de forma que sua parte de contato não o
danifique, de acordo como a figura 05.
Figura 05 – Transportador Rotativo.
Fonte: Os Autores (2016).
O transportador rotativo da envasadora, leva o frasco até o bico de envaze,
que está disposto a 90° da posição da esteira alimentadora, a parada do motor que
faz a tração do transportador, é definida pelo sensor óptico, disposto no ponto de
envasamento, ele indicara a condição para o CLP, posteriormente a bomba de
envaze será acionada para o enchimento do frasco, ao termino da inserção do
conteúdo no recipiente, o transportador rotativo volta a girar levando o mesmo frasco
ao depositador de tampas, e posteriormente entregue ao tapador rotativo que estará
a 180° do ponto inicial no qual desempenhara a função de rosquear a tampa no
frasco.
O tapador e o bico de envase estarão trabalhando simultaneamente trazendo
assim eficiência a produção, para isso os mesmos estram dispostos exatamente 180
º um do outro. Ao termino desse processo o frasco ira ser levado até a esteira de
saída do sistema de envasamento que ficara a 270° do ponto inicial, conforme
descrito na figura 06.
Figura 06 – Infográfico do Projeto da Envasadora.
Fonte: Os Autores (2016).
A Eletrobomba, mostrada da figura 07, tem o objetivo de realizar o transporte
de liquido do reservatório para o enchimento do recipiente, a mesma será colocada
em um reservatório, o liquido é transportado através de uma tubulação de até o bico
injetor, que por sua vez faz a injeção do liquido para dentro do frasco, o cuidado
nesse evento está em evitar que o liquido respingue sobre o equipamento. A
eletrobomba de lavadora 127 v foi escolhida devido possuir vazão adequada porem
sem gerar alta pressão no sistema o que poderia geral respingos.
Figura 07 – Eletrobomba de lavadora 127 v.
FONTE: TWENGA(2016).
3.1.4 – Funcionamento do Manipulador pneumático
O manipulador posicionado ao fim da esteira de saída do sistema de envaze
terá a função de retirar os frascos envazados da esteira e direcionar até uma
embalagem, que está posicionado em uma terceira esteira, a esteira ira transportar a
caixa até o motor receber o sinal do sensor de presença da caixa em um ponto
especifico da esteira. O manipulador apenas atuara se existir caixa na terceira
esteira e frasco já envazado na segunda esteira.
Contando com três atuadores pneumático para executar os movimentos, e
válvulas 5/2 vias para direcionar o ar para os atuadores, e conta com sensores de
posição, para assegurar o transporte adequado.
2.2 RESULTADOS
Para esse projeto foi proposto desenvolver um dispositivo de envazamento
capaz de melhorar o seguimento do mercado de envase, afim de acrecentar
melhoria no processo, eliminando disperdicos e melhorando a qualidade.
O prototipo da envasadora propciou garantia de eficiencia e qualidade do
processo, bem como obteve resultado positivo no ambito agilidade, sendo mais
rapida do que o processo manual comumente utilizado em pequenas indústrias do
seguimento.
O Manipulador robotico colocado ao final da esteira pode realocar o
trabalhador que anteriormente necessitava fazer esforços fisicos repetitivos
minimizando a possibilidade do trabalhador de adquirir doenças como a LER que
atinge boa parte da população.
È possível verificar que o projeto pode-se ser realizado em escala maior para
utilização dentro da indústria, fazendo certamente as melhorias necessárias para o
protudo a ser envasado.
2.4 DISCUSSÕES
O projeto não acompanha um seguimento de produto exclusivo, podendo ser
adaptado para os mais diversos setores de produtos de envase, sendo necessário
fazer alguns tipos de melhorias e modificações, como bomba de envio e esteiras
para adequar a normas e realidade ao produto que devera ser envazado.
Para projetos futuros de pesquisa podese-se implementar ao sistema maior
de segurança incluindo sensores e proteçoes, a fim de impedir que operador possa
ter contato direto com as partes moveis, com o equipamento em funcionamento,
adequando assim o equipamento conforme norma NR 12, diminuindo o risco de
acidente.
Outros fatores como a colocação de dois bicos injeção de liquito simutaneos
para melhorar a produção, a inclução de um sensoer de fluxo essegurando uma
melhor exatidão ao processo de controle da precisão da quantidade do liquido. A
implantação de uma interface homem maquina tambem podera trazer mais
acessibilidde aos paramentos da maquina e bem como uma maior produtividade.
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O desenvolvimento deste protótipo se mostrou superior ao processo manual
apresentando condições de obtenção de ganhos significativos na produtividade e na
qualidade do envase dos produtos.
Em relação ao objetivo do trabalho o qual consisti no desenvolvimento de um
equipamento automatizado para aprimorar o sistema manual de envase de líquidos
foi atingido, conforme constatado através do funcionamento do protótipo, que
viabilizou a utilização dos conceitos presente na mecatrônica.
Referências
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