projeto e desenvolvimento de um manipulador para
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Projeto e desenvolvimento de um manipulador para
transporte de dispositivos de fixação para medição
Diogo Faria Neves Mendes
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Orientadores: Prof. Luís Filipe Galrão dos Reis
Prof. Miguel António Lopes de Matos Neves
Júri
Presidente: Prof. João Orlando Marques Gameiro Folgado
Orientador: Prof. Luís Filipe Galrão dos Reis
Vogal: Prof. Rui Fernando dos Santos Pereira Martins
Outubro 2020
i
Agradecimentos
Em primeiro lugar, quero agradecer aos meus orientadores, Professores Luís Filipe Galrão dos
Reis e Miguel António Lopes de Matos Neves, pelo apoio, disponibilidade e dedicação demonstrados
ao longo da dissertação.
Um agradecimento especial ao Eng. Vítor Martins, pela oportunidade de estagiar na
Volkswagen Autoeuropa e por todo o apoio ao longo do estágio.
Ao meu tutor de estágio, Dr. António Colaço, bem como a todos os trabalhadores do Centro de
Medições, Masterbuck e Cubing, da Volkswagen Autoeuropa, pela amabilidade com que fui recebido e
integrado.
Aos meus amigos e colegas Bernardo Garrido, Henrique Pereira e João Arrais pelo
companheirismo e apoio durante o curso.
Quero agradecer à minha família, aos meus amigos e a todas as pessoas que fazem parte da
minha vida, sem as quais nada disto seria possível.
Um agradecimento especial aos meus avós pelos valores e exemplos de vida e às minhas
irmãs por todo o amor e carinho.
Por fim, agradeço e dedico esta dissertação aos meus pais, pela minha educação, pelos valores
transmitidos e por todo o apoio e amor incondicional.
ii
Resumo
Na sequência de um estágio realizado na Volkswagen Autoeuropa, identificou-se a
necessidade de projetar e desenvolver um manipulador para o transporte de dispositivos de fixação
utilizados no controlo de qualidade dos componentes fabricados. O transporte destes dispositivos foi,
até então, realizado manualmente pelos colaboradores, com o risco de despoletar possíveis lesões nos
mesmos.
Após a identificação e análise da necessidade, foi efetuada uma pesquisa de soluções
existentes no mercado e de medidas implementadas no departamento para a sua resolução. Com a
informação obtida foram gerados cinco conceitos, como propostas de solução, os quais foram
submetidos a uma análise que levou à seleção do conceito vencedor a desenvolver.
Após a seleção do conceito a desenvolver e dimensionar, foi realizado o projeto mecânico do
manipulador, que consiste numa ponte rolante suspensa, constituída pelo sistema modular Demag
KBK®, com quatro estruturas de suporte e um diferencial elétrico de corrente com capacidade de 80 kg.
Todos os elementos da ponte rolante são devidamente selecionados e as estruturas de suporte
são verificadas, por via analítica, para a condição de carregamento máximo. Todos os componentes
da ponte rolante são disponibilizados pela empresa Demag® e todos os elementos das estruturas de
suporte são normalizados e de fácil aquisição.
Em suma, a solução proposta do manipulador cumpre os requisitos e constrangimentos de
projeto, permitindo transportar os dispositivos de fixação com uma resistência de translação de 1,5 %
da carga transportada e simultaneamente eliminar a ocorrência das mencionadas lesões.
Palavras-chave: Manipulador; Dispositivos de fixação; Paredes de fixação; Ponte rolante;
Diferencial elétrico de corrente.
iii
Abstract
Through an internship carried out at Volkswagen Autoeuropa, there was identified the need to
design and develop a manipulator device for the transportation of fixtures used in the quality assurance
of the produced components. The transportation of these fixtures was, so far, conducted manually by
workers and presents a potential cause of injuries.
After identifying and analysing the need, a research for already existent solutions on the market
and for implemented measures inside the department, was carried out. With the obtained information,
five concepts were generated, as solution proposals, and submitted to an analysis that led to the
selection of the concept to be developed.
After selecting the concept to be developed and dimensioned, a mechanical design was
performed for the manipulator device, which consists of a suspension crane, composed by the Demag
KBK® modular system, with four supporting structures and an electric chain hoist with a capacity of 80
kg.
All the elements of the crane are properly selected and the supporting structures are verified,
analytically, for the maximum load condition. All crane components are made available by Demag®
company and all the elements of the supporting structures are standard and easy to access in the
market.
In conclusion, the proposed solution satisfies project requirements and constraints, allowing the
transportation of the fixtures with a resistance of 1,5 % of the transported load and simultaneously
reduce the occurrence of future injuries.
Keywords: Manipulator device; Fixtures; Sandwich plates; Crane; Electric chain hoist.
iv
Índice
Agradecimentos .........................................................................................................................................i
Resumo .................................................................................................................................................... ii
Abstract.................................................................................................................................................... iii
Lista de Figuras ....................................................................................................................................... vi
Lista de Tabelas ...................................................................................................................................... ix
Lista de Símbolos .....................................................................................................................................x
Lista de Siglas ......................................................................................................................................... xi
Lista de Programas ................................................................................................................................. xi
1. Introdução ........................................................................................................................................ 1
1.1 Enquadramento e objetivo da dissertação ............................................................................... 1
1.2 Estrutura da dissertação .......................................................................................................... 2
2. Grupo Volkswagen .......................................................................................................................... 3
2.1 Volkswagen Autoeuropa .......................................................................................................... 4
2.1.1 Área da Qualidade .............................................................................................................. 5
2.1.1.1 Centro de Medições, Masterbuck e Cubing .............................................................. 5
3. Identificação do Problema ............................................................................................................. 11
3.1 Descrição Detalhada do Problema ........................................................................................ 12
3.2 Enquadramento normativo ..................................................................................................... 14
3.3 Área de Trabalho .................................................................................................................... 15
4. Breve revisão bibliográfica ............................................................................................................ 17
4.1 Soluções existentes no mercado ........................................................................................... 17
4.1.1 Sistema de calhas para extração de prateleira ................................................................. 17
4.1.2 Carro com calhas para transporte de prateleiras .............................................................. 18
4.1.3 Pontes rolantes ................................................................................................................. 18
4.1.4 Gruas de oficina ................................................................................................................ 19
4.1.5 Exosqueletos ..................................................................................................................... 20
4.2 Medidas implementadas ........................................................................................................ 21
4.2.1 Construção de estruturas Rahmen ................................................................................... 21
4.2.2 Alteração dos dispositivos de fixação ............................................................................... 22
5. Conceitos ....................................................................................................................................... 23
5.1 Primeiro conceito .................................................................................................................... 23
5.2 Segundo conceito ................................................................................................................... 24
5.3 Terceiro Conceito ................................................................................................................... 26
5.4 Quarto Conceito ..................................................................................................................... 27
5.5 Quinto Conceito ...................................................................................................................... 28
5.6 Análise de conceitos .............................................................................................................. 30
v
5.7 Seleção de conceitos ............................................................................................................. 32
6. Memória descritiva e justificativa ................................................................................................... 35
6.1 Requisitos do projeto .............................................................................................................. 35
6.2 Constrangimentos do projeto ................................................................................................. 36
6.3 Desenvolvimento do conceito ................................................................................................ 36
6.3.1 Diferencial elétrico de corrente ......................................................................................... 37
6.3.1.1 Características gerais ............................................................................................. 37
6.3.1.2 Diferencial elétrico ................................................................................................... 37
6.3.1.3 Corrente .................................................................................................................. 39
6.3.1.4 Mecanismo de translação ....................................................................................... 39
6.3.1.5 Comando de controlo .............................................................................................. 41
6.3.2 Ponte rolante suspensa KBK ............................................................................................ 41
6.3.2.1 Características gerais ............................................................................................. 41
6.3.2.2 Nomenclatura .......................................................................................................... 42
6.3.2.3 Perfis KBK ............................................................................................................... 43
6.3.2.4 Suspensão do caminho de rolamento .................................................................... 45
6.3.2.5 Mecanismos de translação da viga da ponte rolante ............................................. 46
6.3.2.6 Alimentação elétrica ................................................................................................ 47
6.3.3 Estrutura de suporte .......................................................................................................... 48
6.4 Manipulador proposto ............................................................................................................. 49
6.5 Estimativa de custos .............................................................................................................. 50
7. Notas de cálculo ............................................................................................................................ 53
7.1 Coeficiente de segurança do projeto ..................................................................................... 53
7.2 Seleção do diferencial elétrico de corrente ............................................................................ 54
7.2.1 Diferencial elétrico ............................................................................................................. 54
7.2.2 Corrente ............................................................................................................................ 55
7.2.3 Mecanismo de translação ................................................................................................. 56
7.3 Ponte rolante suspensa KBK ................................................................................................. 57
7.3.1 Seleção dos perfis KBK .................................................................................................... 57
7.3.2 Alimentação elétrica .......................................................................................................... 62
7.4 Estrutura de suporte ............................................................................................................... 62
7.4.1 Ligações soldadas............................................................................................................. 63
7.4.2 Ligação aparafusada ......................................................................................................... 67
8. Conclusões e desenvolvimento futuro .......................................................................................... 73
8.1 Conclusões ............................................................................................................................. 73
8.2 Desenvolvimento futuro.......................................................................................................... 74
9. Referências.................................................................................................................................... 75
A. Anexos – Elementos de apoio e desenhos técnicos ....................................................................... 79
vi
Lista de Figuras
Figura 1: Sede do Grupo Volkswagen, Wolfsburg [4] ............................................................................. 3
Figura 2: Organigrama simplificado da área da Qualidade ..................................................................... 5
Figura 3: Masterbuck [7]: a) sem elementos montados ,b) com elementos montados .......................... 6
Figura 4: Cubing [9] ................................................................................................................................. 7
Figura 5: Aparelho de medição táctil [10]: a) aparelho, b) apalpador ..................................................... 9
Figura 6: Aparelho de medição ótica [11] .............................................................................................. 10
Figura 7: Armário industrial de armazenamento vertical [12] ................................................................ 11
Figura 8: Exemplo de configuração de um elemento a medir na parede de fixação, com os respetivos
dispositivos de fixação [14].................................................................................................................... 12
Figura 9: Dispositivo de fixação (modelado no software CATIA V5) .................................................... 13
Figura 10: Gráfico - Carga máxima admissível em relação ao número de levantamentos [15] ........... 14
Figura 11: Estação de medição táctil [16] ............................................................................................. 15
Figura 12: Configuração dos armários instalados no deck (modelada no software SOLIDWORKS 2018)
............................................................................................................................................................... 16
Figura 13: Sistema de calhas fold-down para extração de prateleiras [17] .......................................... 17
Figura 14: Carro com calhas para transporte de prateleiras [17].......................................................... 18
Figura 15: Ponte rolante monoviga [18] ................................................................................................ 19
Figura 16: Grua de oficina [19] .............................................................................................................. 19
Figura 17: Utilização de um exosqueleto [21] ....................................................................................... 20
Figura 18: Exemplo de estrutura Rahmen [22] ..................................................................................... 21
Figura 19: Primeiro conceito (modelado no software CATIA V5) ......................................................... 23
Figura 20: Segundo conceito (modelado no software CATIA V5) ........................................................ 24
Figura 21: Diferencial elétrico de cabo [23] ........................................................................................... 25
Figura 22: Terceiro conceito (modelado no software CATIA V5).......................................................... 26
Figura 23: Diferencial elétrico de corrente [24] ..................................................................................... 27
Figura 24: Quarto conceito (modelado no software CATIA V5) ............................................................ 28
Figura 25: Quinto conceito (modelado no software CATIA V5) ............................................................ 28
Figura 26: Perfis KBK [25] ..................................................................................................................... 29
Figura 27: Diferencial elétrico selecionado (dimensões em mm) [28] .................................................. 38
Figura 28: Manipulação de um dispositivo de fixação (modelação no software SOLIDWORKS 2018) 38
Figura 29: Mecanismos de translação do diferencial elétrico para cada perfil KBK [28] ...................... 39
Figura 30: Dimensões do mecanismo de translação selecionado (mm) [29] ....................................... 40
Figura 31: Dimensões do suporte selecionado (mm) [28] .................................................................... 40
Figura 32: Dimensões do comando DSC (mm) [28]: 1) botão de emergência, 2) botões de elevação 41
Figura 33: Perfil KBK I da viga da ponte rolante (dimensões em mm) [25] .......................................... 43
Figura 34: Perfil KBK II das vigas do caminho de rolamento (dimensões em mm) [25] ....................... 44
Figura 35: Tampas com para-choques para os perfis selecionados (dimensões em mm) [25] ........... 45
Figura 36: Suspensão a utilizar consoante a orientação das forças geradas [25] ............................... 45
vii
Figura 37: Vista frontal e lateral da suspensão KBK Ergo para o perfil KBK II (dimensões em mm) [25]
............................................................................................................................................................... 46
Figura 38: Mecanismo de translação simples Classic para o perfil KBK II (dimensões em mm) [25] .. 47
Figura 39: Suspensão da ponte rolante para o perfil KBK I [25] ........................................................... 47
Figura 40: Estrutura de suporte ............................................................................................................. 48
Figura 41: Representação: a) manipulador proposto, b) instalação na área de trabalho ..................... 49
Figura 42: Constituição do manipulador proposto ................................................................................ 50
Figura 43: Dimensões dos suportes (mm) [28] ..................................................................................... 56
Figura 44: Diagrama de capacidade de carga dos perfis KBK [25] ...................................................... 58
Figura 45: Demag Designer® – Primeiro passo .................................................................................... 60
Figura 46: Demag Designer® - Segundo passo .................................................................................... 60
Figura 47: Demag Designer® - Terceiro passo ..................................................................................... 61
Figura 48: Demag Designer® – Perfis recomendados .......................................................................... 61
Figura 49: Representação dos carregamentos estudados na estrutura de suporte e respetivas
dimensões (mm) .................................................................................................................................... 63
Figura 50: Representação das juntas soldadas da estrutura de suporte ............................................. 63
Figura 51: Representação da junta soldada 1 e da respetiva figura de cordões (dimensões em mm) 64
Figura 52: Representação dos esforços e tensões de corte provocados pelo carregamento 1 ........... 64
Figura 53: Representação dos esforços e tensões de corte provocados pelo carregamento 2 na JS1
............................................................................................................................................................... 65
Figura 54: Representação dos esforços provocados pelo carregamento 2 na JS2 e da tensão de corte
indireta 𝜏′′Mp ........................................................................................................................................... 67
Figura 55: Representação da ligação aparafusada e respetivas dimensões (mm) .............................. 68
Figura 56: Representação dos esforços provocados pelo carregamento 1 na ligação aparafusada ... 68
Figura 57: Representação dos esforços provocados pelo carregamento 2 na ligação aparafusada ... 69
Figura 58: Representação do ângulo 𝛼3 ............................................................................................... 70
Figura A- 1: Propriedades do perfil IPE 200 (Grupo Ferpinta) [30] ....................................................... 79
Figura A- 2: Propriedades das soldaduras de canto - momento polar de inércia [27] .......................... 80
Figura A- 3: Propriedades das soldaduras de canto - momento de inércia [27] ................................... 81
Figura A- 4: Valores de resistência dos esforços axiais para ligações aparafusadas com buchas
metálicas - INDEX [35] .......................................................................................................................... 82
Figura A- 5: Coeficiente de influência para o arrancamento - INDEX [35] ........................................... 82
Figura A- 6: Coeficiente de influência para o cone de compressão - INDEX [35] ................................ 82
Figura A- 7: Coeficiente de influência do espaçamento (cone de compressão) - INDEX [35] ............. 83
Figura A- 8: Coeficiente de influência do espaçamento (separação do betão) - INDEX [35] ............... 83
Figura A- 9: Coeficiente de influência da distância à aresta do bloco - INDEX [35] ............................. 84
Figura A- 10: Coeficiente de influência da aresta do bloco (cone de compressão) - INDEX [35] ........ 84
Figura A- 11: Coeficiente de influência dos reforços - INDEX [35] ....................................................... 84
Figura A- 12: Coeficiente de influência da espessura (altura) do bloco - INDEX [35] .......................... 84
viii
Figura A- 13: Valores de resistência dos esforços de corte para ligações aparafusadas com buchas
metálicas - INDEX [35] .......................................................................................................................... 85
Figura A- 14: Coeficiente de influência do espaçamento -INDEX [35] ................................................. 85
Figura A- 15: Coeficiente de influência da distância à aresta - INDEX [35] .......................................... 86
Figura A- 16: Coeficiente de influência dos reforços - INDEX [35] ....................................................... 86
Figura A- 17: Coeficiente de influência do ângulo de aplicação da carga - INDEX [35] ....................... 86
Figura A- 18: Ângulo de aplicação da carga 𝑃𝑆 .................................................................................... 86
Figura A- 19: Coeficiente de influência da espessura (altura) do bloco - INDEX [35] .......................... 86
ix
Lista de Tabelas
Tabela 1: Exemplos de combinação de carga e frequência para os limites recomendados [15] ......... 15
Tabela 2: Seleção dos conceitos .......................................................................................................... 34
Tabela 3: Características do diferencial selecionado [28] ..................................................................... 37
Tabela 4: Condições de serviço do diferencial selecionado [28] .......................................................... 38
Tabela 5: Características da corrente selecionada [28] ........................................................................ 39
Tabela 6: Variação da carga admissível em função da temperatura [29] ............................................. 40
Tabela 7: Propriedades dos perfis selecionados [25] ........................................................................... 44
Tabela 8: Estimativa de custos do manipulador proposto .................................................................... 51
Tabela 9: Tabela de seleção dos diferenciais elétricos DC-Pro [28] .................................................... 54
Tabela 10: Comparação da gama dos diferenciais [28] ........................................................................ 55
Tabela 11: Tabela de seleção de correntes para os diferenciais elétricos e suas propriedades [28] .. 55
Tabela 12: Características dos mecanismos de translação [29]........................................................... 56
Tabela 13: Legenda da figura 43 [28] ................................................................................................... 56
Tabela 14: Compatibilidade dos perfis da ponte rolante e do caminho de rolamento [25] ................... 59
Tabela 15: Valores para seleção de perfis com K=80kg (dimensões em m) [25] ................................ 59
x
Lista de Símbolos
Letras gregas:
𝛼 - Ângulo
𝜏 - Tensão de corte
𝜏′ - Tensão de corte direta
𝜏′′ - Tensão de corte indireta
𝜌 - Massa volúmica
𝛹 - Coeficiente de influência
Outros símbolos:
𝐴 - Área de garganta da junta soldada
𝑐 - Distância mínima entre a bucha e a aresta do bloco de fundação para ancoragem
𝐸 - Módulo de elasticidade
𝐹 - Força
𝐹𝑝𝑒𝑟 - Força de perturbação transversal
𝐹′𝑖 - Força direta a atuar na ligação aparafusada
𝐹′′𝑖 - Força indireta a atuar na ligação aparafusada
𝐺3 - Massa do diferencial elétrico e do mecanismo de translação
𝐺𝐻 - Massa máxima admissível a elevar pelo diferencial elétrico
ℎ - Altura do cordão de soldadura
ℎ𝑏𝑙𝑜𝑐𝑜 - Espessura do bloco de fundação para ancoragem
ℎ𝑒𝑓 - Altura efetiva da bucha metálica
ℎ𝑠𝑎𝑔 - Flecha do cabo
𝐼 - Momento de inércia
𝐽 - Momento polar de inércia
𝐾 - Carga total suportada pela ponte rolante
𝑙𝐶 - Comprimento total do cabo
𝑙𝐺 - Comprimento das vigas do caminho de rolamento
𝑙𝐻𝑇 - Comprimento da viga da ponte rolante
𝑙𝐾𝑟 - Distância entre as vigas do caminho de rolamento
𝑙𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑦 - Comprimento da alimentação
𝑙𝑤 - Distância entre suspensões do caminho de rolamento
𝑀 - Momento fletor
𝑛 - Número de critérios
𝑁 - Força de compressão
𝑛𝑖 - Coeficiente de segurança do elemento i
xi
𝑛𝐽𝑆𝑖 - Coeficiente de segurança da junta soldada i
𝑛𝑝 - Coeficiente de segurança do projeto
𝑁𝑝 - Número de parafusos
𝑛𝑠𝑎𝑝 - Número de sapatas deslizantes
𝑃 - Força resultante normal ao plano da ligação aparafusada
𝑃𝑆 - Força resultante no plano da ligação aparafusada
𝑟𝑖𝑗 - Avaliação do conceito j para o critério i
𝑆𝑗 - Pontuação do conceito j
𝑆𝑢 - Tensão de rotura
𝑆𝑦 - Tensão de cedência
𝑇 - Momento torsor
𝑉 - Esforço transverso
𝑤𝑖 - Peso do critério i
Lista de Siglas
AISC - American Institute of Steel Construction
DDKM - Digital Data Control Model
DGUV - German Social Accident Insurance
FCA - Fiat Chrysler Automobiles
FMC - Ford Motor Company
KBK - Kombiniert Kran
MPV - Multipurpose vehicle
NSC - National Safety Council
RPS - Reference Point System
VW AE - Volkswagen Autoeuropa
VW AG - Grupo Volkswagen
Lista de Programas
CATIA V5 ®
Demag Designer ®
SOLIDWORKS 2018 ®
xii
1
1. Introdução
1.1 Enquadramento e objetivo da dissertação
A segurança dos trabalhadores representa uma das metas mais importantes a atingir por parte
das entidades patronais. A dimensão dos problemas associados aos acidentes de trabalho e as suas
consequências, quer para a vida humana quer para a economia, levam as empresas a focar-se cada
vez mais na sua prevenção.
Segundo o National Safety Council (NSC) [1], a cada 7 segundos um trabalhador está envolvido
num acidente no seu local de trabalho, totalizando em média 4,6 milhões de acidentes de trabalho por
ano. A mesma entidade estimou que em 2018 os custos associados aos acidentes de trabalho tenham
ascendido a 170,8 mil milhões de dólares, tendo em conta as despesas médicas, as indeminizações e
as perdas associadas à interrupção da produção.
Em Portugal, no ano de 2017 registaram-se mais de 209 mil acidentes de trabalho dos quais
140 resultaram em vítimas mortais, no entanto a maioria dos casos poderia ter sido evitada, quer pela
implementação de processos mais ergonómicos, quer por medidas de prevenção ou por ações de
formação e consciencialização dos trabalhadores [2].
De modo a prevenir e reduzir o risco de acidentes, cabe a todos os envolvidos, desde o diretor
da empresa aos funcionários, a responsabilidade de tomar medidas para a melhoria e qualidade das
condições de trabalho.
Neste âmbito, foi proposto, pelo Eng. Vítor Martins, diretor de departamento do Centro de
Medições, Masterbuck e Cubing, da área da Qualidade da Volkswagen Autoeuropa (VW AE), a
realização de um estágio curricular, de 6 meses, para o desenvolvimento de uma solução para o
transporte de dispositivos de fixação utilizados na medição de peças produzidas na fábrica, uma vez
que até à data o seu transporte tem sido efetuado manualmente e tem vindo a provocar lesões a vários
funcionários, que por esse motivo tiveram de ser realocados a outras funções.
Esta dissertação tem como objetivo o projeto e desenvolvimento de um manipulador para o
transporte dos dispositivos de fixação referidos, de modo a tornar o processo de transporte mais
ergonómico e prevenir os riscos associados ao mesmo, uma vez que 33,54% dos acidentes de trabalho
registados pelo NSC estão relacionados com a elevação e transporte repetido de cargas [1].
2
1.2 Estrutura da dissertação
Este documento apresenta a seguinte estrutura:
Capítulo 1: Introdução, enquadramento e objetivo da dissertação.
Capítulo 2: Apresentação do Grupo Volkswagen, da Volkswagen Autoeuropa e da sua área da
Qualidade, bem como das equipas do Centro de Medições, Masterbuck e Cubing, de modo a enquadrar
o tema e dar a conhecer o local de estágio.
Capítulo 3: Identificação do problema através da descrição detalhada dos processos realizados pelos
trabalhadores e do enquadramento normativo da fábrica. No final deste capítulo apresenta-se a área
de trabalho, onde se identificou o problema.
Capítulo 4: Pesquisa das soluções existentes no mercado e das medidas implementadas no
departamento com vista à resolução do problema.
Capítulo 5: Geração de conceitos para a resolução do problema identificado e posterior análise e
seleção do conceito a desenvolver que melhor se ajuste às necessidades.
Capítulo 6: Desenvolvimento do conceito selecionado e apresentação da solução proposta, com base
na definição dos requisitos e constrangimentos de projeto. No final do capítulo apresenta-se a
estimativa de custos da solução proposta.
Capítulo 7: Seleção e verificação dos elementos constituintes da solução proposta. Apresentação dos
diagramas e tabelas de seleção utilizados, bem como das notas de cálculo referentes ao projeto
mecânico das estruturas de suporte.
Capítulo 8: Apresentação das conclusões e de possíveis sugestões para desenvolvimento futuro.
3
2. Grupo Volkswagen
O Grupo Volkswagen (VW AG) é um dos maiores fabricantes de veículos do mundo, sediado
na cidade alemã de Wolfsburg (ver figura 1). A empresa foi fundada em 1937 e começou a produzir o
modelo “Kafer”, também conhecido por “Carocha”, cujo desenvolvimento e projeto remonta a 1934.
Atualmente, o VW AG é composto por 12 marcas de elevada importância e reconhecimento no
sector: Volkswagen, Škoda, SEAT, Audi, Porsche, Bentley, Lamborghini, Bugatti, Ducati, MAN, Scania
e Volkswagen Comercial Vehicles. Cada uma tem a sua identidade, operando como marcas
independentes no mercado, possuindo uma gama variada de produtos, desde motociclos a carros
citadinos, automóveis de luxo, autocarros e camiões.
O VW AG engloba 122 fábricas, espalhadas por 4 continentes, sendo que 71 se encontram em
20 países europeus e as restantes distribuídas por 11 países dos continentes Americano, Africano e
Asiático, empregando 664.496 trabalhadores e produzindo 365 modelos diferentes, totalizando mais
de 11.018.000 de veículos produzidos, em 2018 [3].
O grupo tem como objetivo a produção de veículos de elevada qualidade, que permitam
satisfazer as necessidades dos clientes, competir no mercado e estabelecer a marca como uma
referência no sector automóvel. Para tal, é adotada uma estratégia de investimento na inovação, na
criação de valor e no desenvolvimento de competências dos recursos humanos, não esquecendo a
importância do desempenho ambiental e da sustentabilidade do processo produtivo.
Figura 1: Sede do Grupo Volkswagen, Wolfsburg [4]
4
2.1 Volkswagen Autoeuropa
A história da VW AE remonta a 1991, ano em que foi assinado o contrato de investimento entre
o Governo Português e a Joint Venture entre a Ford e a Volkswagen, naquele que viria a ser o maior
investimento estrangeiro em Portugal. Com um investimento inicial de 1,97 mil milhões de euros, foi
contruída, durante 4 anos, uma fábrica no concelho de Palmela, distrito de Setúbal.
A produção arrancou em 1995, com três modelos monovolume, multipurpose vehicle (MPV):
VW Sharan, SEAT Alhambra e Ford Galaxy. Passados 4 anos do início de produção, em 1999, o Grupo
Volkswagen adquiriu a totalidade das ações, ficando com 100% do capital da empresa.
Em 2006 terminou a produção do Ford Galaxy e foi introduzido o modelo descapotável VW
EOS. Já em 2008 foi a vez do VW Scirocco ser apresentado para produção, no ano em que a fábrica
alcançou o feito de 1,5 milhões de veículos produzidos. As produções dos modelos EOS e do Scirocco
terminaram, respetivamente, em 2015 e 2017 [5].
A empresa atravessou o seu maior processo de transformação em 2017, com o lançamento do
Sport Utility Vehicle (SUV) compacto da marca de Wolfsburg, o VW T-ROC, cuja produção implicou a
construção de novas infraestruturas e a contratação de mais de 2500 funcionários. No ano de 2018 a
produção atingiu o valor recorde de 223.200 veículos produzidos [5].
Atualmente a VW AE emprega cerca de 5800 funcionários, cuja média de idades é
aproximadamente 40 anos, sendo que 82% são do sexo masculino e 18% do sexo feminino.
O conselho de administração da empresa é liderado, desde 2016, pelo diretor-geral Eng. Miguel
Sanches, que sucedeu ao Eng. António Melo Pires.
Em termos organizacionais, a VW AE está dividida em 8 áreas:
Administração;
Gestão de Produto e Planeamento;
Engenharia Industrial e Lean Management;
Finanças e Tecnologias da Informação;
Produção;
Recursos Humanos e Organização;
Logística;
Qualidade.
5
2.1.1 Área da Qualidade
A área da Qualidade é uma das áreas com maior destaque na VW AE e de modo geral em toda
a indústria automóvel, tendo como principal objetivo garantir os níveis de excelência dos veículos
produzidos, no que diz respeito às especificações, às exigências e à satisfação dos clientes.
A área da Qualidade tem a ambição de se tornar a Quality Assurance mais eficiente e eficaz
do setor automóvel. Por este motivo, garante, com elevada competência, a qualidade dos veículos
produzidos, através de processos normalizados, obedecendo à norma ISO 9001 e em conformidade
com as necessidades dos clientes [6].
Apresenta-se, na figura 2, o organigrama resumido da área da Qualidade, estando somente
detalhados os departamentos da divisão de Análise do Veículo Completo, na qual se encontra o Centro
de Medições, Masterbuck e Cubing.
Figura 2: Organigrama simplificado da área da Qualidade
A divisão de Análise do Veículo Completo é responsável pela coordenação de todos os testes,
ensaios e medições dos departamentos que a constituem, reportando diretamente os resultados ao
diretor da área da Qualidade e cooperando com as restantes áreas e divisões, de modo a solucionar
de forma eficaz e célere os problemas e defeitos identificados.
2.1.1.1 Centro de Medições, Masterbuck e Cubing
O departamento do Centro de Medições, Masterbuck e Cubing é o centro de controlo
dimensional da VW AE.
Organizado em 6 equipas e liderado pelo Eng. Vítor Martins, trabalha diariamente com as áreas
de Produção, Qualidade e Gestão de Produto e Planeamento, fornecendo análises dimensionais
fidedignas das peças, subconjuntos e veículos produzidos.
Qualidade
Planeamento da Qualidade
Peças Compradas
Análise do Veículo
Completo
Centro de TestesCentro de Medições, Masterbuck e Cubing
Tecnologia de MateriaisAvaliação da Experiência
com os Veículos
Qualidade da Produção
Auditoria Final e Relatórios
Departamentos
Divisões
6
Este departamento é parceiro de todas as salas de medição da Volkswagen e por isso está em
constante troca de informação e de experiência, acabando por definir novos procedimentos padrão e
tecnologias de análise e controlo dimensional.
Tal como referido, o departamento está dividido em 6 equipas:
Masterbuck;
Cubing;
Projetos e Programação Offline;
Virtual 3D DDKM;
Análises e Amostras Iniciais;
Medições e Controlo Geométrico.
Masterbuck
O Masterbuck é uma ferramenta utilizada para verificar a conformidade dimensional e visual de
peças, relacionando-as entre si.
Esta ferramenta consiste numa estrutura nominal de alumínio à escala de 1:1 (figura 3a),
designada por Outer Masterbuck, que permite através da montagem de peças, proceder à sua análise
e consequentemente melhorar a qualidade dos veículos produzidos. O objetivo é analisar o ajuste das
peças exteriores de um veículo, tais como as laterais, as portas, o capô e a bagageira, montando-as
em simultâneo, através do seu sistema de posicionamento, i.e. em inglês Reference Point System
(RPS), que reflete o posicionamento real das peças no veículo, no sistema de produção (figura 3b).
Figura 3: Masterbuck [7]: a) sem elementos montados ,b) com elementos montados
Com a análise e medição efetuadas, é realizada uma auditoria, que identifica os defeitos ou
problemas existentes e lhes atribui uma escala de importância e gravidade. Depois de ser concluído o
relatório da auditoria, procede-se à análise dos problemas e reúne-se com os responsáveis das
respetivas peças, de modo a apresentarem uma possível alteração no processo produtivo que permita
a resolução do respetivo problema e elaborarem um plano de ação, no qual se comprometem a
implementar a alteração proposta, definindo um prazo limite. Após esta reunião, é feita uma
7
apresentação ao diretor do departamento, na qual é comunicado o problema, a respetiva solução e o
plano de ação.
Por fim, quando é implementado o plano de ação, é realizada uma nova medição e análise para
verificar se as alterações corrigiram o problema inicial detetado ou se são necessárias novas propostas
de melhoria.
Cubing
Tal como o Masterbuck, o Cubing é uma ferramenta utilizada para verificar a conformidade
dimensional e visual de peças, mas além de as relacionar entre si, também as relaciona com a estrutura
nominal.
O Cubing (figura 4) é um modelo construído em alumínio e aço inox maquinado, à escala 1:1,
do modelo CAD do veículo, com uma tolerância dimensional máxima de duas décimas de milímetro,
0,2 mm.
Neste equipamento, são avaliadas peças e componentes de fornecedores externos à fábrica,
tais como, faróis, vidros, frisos, para-choques, guarda-lamas e o interior do veículo, como os bancos, o
forro do tejadilho, a consola central, as luzes interiores, o volante, os pedais, etc.
As peças são montadas em “ambiente zero”, não havendo a possibilidade de sofrerem
quaisquer tipos de desvios ou irregularidades resultantes dos processos de construção da carroçaria
ou de montagem, de modo a que se possa investigar de uma maneira célere se estão de acordo com
as especificações [8]. Através da análise dimensional é possível quantificar os desvios e verificar se
estão a ser cumpridas as características estabelecidas no desenho e acordadas pela Engenharia de
Produto.
Ao contrário do que pode acontecer noutras ferramentas ou noutros instrumentos de análise,
no Cubing o problema é sempre da peça em que é detetado o defeito, não existindo qualquer
possibilidade do erro ser originado por outro elemento.
Figura 4: Cubing [9]
8
Projetos e Programação Offline
A equipa de Projetos e Programação Offline é responsável pela execução de todas as
atividades de preparação e apoio às restantes equipas do Centro de Medições, Masterbuck e Cubing.
A equipa está envolvida na criação de programas de medição que serão utilizados nas máquinas de
medição, tácteis e óticas, e faz análises teóricas através de modelos 3D, recorrendo ao software CATIA
V5.
A equipa é também responsável pelo planeamento de introdução de alterações de engenharia,
tais como alterações de tolerâncias, facelift’s ou novos modelos relevantes para o departamento.
A equipa detém ainda a gestão e análise das necessidades dos equipamentos e dos
funcionários, desde a reparação, manutenção e calibração das máquinas, ao vestuário e calçado dos
trabalhadores, tendo em conta o respetivo impacto económico para o orçamento anual do
departamento.
Virtual 3D DDKM
A equipa de Virtual 3D DDKM (Digital Data Control Model) é a equipa mais pequena do
departamento, sendo responsável pela programação do ambiente de realidade virtual de todo o veículo,
recorrendo ao software Autodesk VRED. Através da utilização deste software é possível analisar
virtualmente qualquer parte do veículo, interior ou exterior, com todo o tipo de configurações
disponíveis, tais como as cores da carroçaria, packs de equipamento, jantes ou bancos.
A equipa é também responsável pela otimização de design dos elementos em CATIA V5, para
serem importados para o ambiente de realidade virtual e impressão de peças numa impressora 3D,
necessárias para satisfazer algumas necessidades do departamento.
Análises e Amostras Iniciais
Na produção de um veículo, vários são os pontos e etapas nas quais se testa a qualidade e a
fiabilidade de construção. Na montagem final, uma equipa de auditoria desenvolve uma série de testes
e procedimentos com o objetivo de verificar se os parâmetros definidos para o veículo foram cumpridos.
Quando os auditores detetam irregularidades dimensionais e não têm a capacidade de concluir a causa
das mesmas, é efetuado um pedido de investigação à equipa de Análises e Amostras Inicias.
Os seus elementos têm a função de realizar análises dimensionais aos conjuntos identificados
e determinar a origem do problema, sendo que este processo pode durar dias até estar resolvido.
Para além da investigação, a equipa tem a responsabilidade de aprovar as amostras iniciais
produzidas na VW AE, que podem ser peças novas ou peças já existentes, mas cujas tolerâncias ou
dimensões necessitem ser alteradas.
9
Medições e Controlo Geométrico
A equipa de Medições e Controlo Geométrico é a maior equipa do departamento, composta
por 22 elementos, 20 técnicos e 2 especialistas, distribuídos semanalmente pelos turnos da manhã, da
tarde e da noite e ao sábado pelos turnos da manhã e da tarde.
A equipa tem a responsabilidade de efetuar as medições de rotina das peças estampadas, dos
subconjuntos da carroçaria e das carroçarias completas, produzidas na fábrica. Os elementos a medir
são selecionados da linha de produção por amostragem, recorrendo a métodos estatísticos, com o
objetivo de controlar a sua qualidade e prever se os elementos do mesmo lote se encontram nas
mesmas condições.
Para além das medições de rotina, são também efetuadas medições especiais a peças de
estampagem, subconjuntos ou até mesmo a veículos completos, no caso terem suscitado algum tipo
de dúvida durante a sua produção.
As medições e análises são efetuadas recorrendo a aparelhos de medição táctil ou aparelhos
de medição ótica.
O princípio de funcionamento dos aparelhos de medição táctil (figura 5a) tem por base a recolha
de informação dimensional de pontos específicos da peça, pré-definidos pela engenharia de projeto,
através do contacto de um apalpador elétrico de ponta esférica com os mesmos (figura 5b), com base
num software de metrologia, que opera segundo um sistema de referências e coordenadas [10]. Após
efetuada a medição, as informações dos pontos são comparadas com os valores de referência
definidos nos desenhos técnicos e são calculados os respetivos desvios dimensionais.
Apresenta-se na figura 5 um aparelho de medição táctil e o respetivo apalpador.
Figura 5: Aparelho de medição táctil [10]: a) aparelho, b) apalpador
10
O princípio de funcionamento dos aparelhos de medição ótica consiste num mapeamento da
peça, através de um braço articulado com uma câmara de alto desempenho e resolução, como se pode
observar na figura 6. No fim da medição, o mapeamento origina um ficheiro .stl que é comparado com
o ficheiro CAD da peça, permitindo obter as dimensões em qualquer ponto, ao contrário do que
acontece com o aparelho de medição táctil, sendo esta uma das suas maiores vantagens, para além
da sua rapidez de análise [11].
Figura 6: Aparelho de medição ótica [11]
11
3. Identificação do Problema
Na equipa de Medições e Controlo Geométrico, todos os elementos a medir necessitam de ser
colocados numa estação de medição, na qual se encontra uma parede de fixação, designada por
sandwich plate. Para prender cada elemento a estas paredes é necessário recorrer a dispositivos de
fixação, designados por fixtures. Todo o processo de fixação dos dispositivos à parede de fixação e
consequentemente dos elementos a medir às fixtures é feito manualmente pelo trabalhador que irá
realizar a análise.
Os dispositivos de fixação encontram-se armazenados em armários industriais de
armazenamento vertical com sistema automático de prateleiras, da marca Megamat®, com capacidade
de 70000 kg. O sistema automático tem por base um mecanismo semelhante a um elevador, que
através de um motor elétrico permite recolher a prateleira selecionada pelo trabalhador, da posição
onde a mesma se encontra e dispô-la diante do mesmo, de modo a que possa ter acesso ao seu
conteúdo [12].
Os armários (figura 7) tornam o processo mais ergonómico, permitindo armazenar em
segurança todas as peças que neles se encontrem e organizar as mesmas de forma mais eficiente.
Estes dispositivos são concebidos para otimizar o espaço utilizado, sendo que permitem reduzi-lo até
85%, quando comparados com armários e estantes tradicionais [13].
Figura 7: Armário industrial de armazenamento vertical [12]
12
Cada elemento a medir tem o seu conjunto de dispositivos de fixação identificado e organizado
numa prateleira. Para a medição e análise de cada peça ou subconjunto, o técnico deverá deslocar-se
ao armário, selecionar a prateleira correspondente, retirar todos os dispositivos de fixação, transportá-
los até à estação de medição, encaixá-los nas respetivas posições da sandwich plate e por fim montar
o elemento a medir na estrutura montada, ver figura 8.
A posição em que os dispositivos são montados na parede de fixação garante que o elemento
a medir seja analisado na posição real em que irá ser montado no veículo, tornando a medição mais
fidedigna. A figura 8 representa a configuração da lateral de um veículo montada, através de
dispositivos de fixação, numa sandwich plate.
Figura 8: Exemplo de configuração de um elemento a medir na parede de fixação, com os respetivos dispositivos de fixação [14]
Quando o processo de medição termina, o técnico tem de retirar e arrumar o elemento medido,
assim como todos os dispositivos de fixação utilizados.
Em cada estação de medição, por turno, trabalha apenas um técnico, tendo de fazer
repetidamente este tipo de esforço durante o seu dia de trabalho.
Após analisar o procedimento referido foi identificada a necessidade de apresentar um projeto
de solução para a remoção dos dispositivos de fixação do interior dos armários e transporte dos
mesmos até às sandwich plates.
3.1 Descrição Detalhada do Problema
A presente dissertação centra-se no projeto de uma solução para o problema identificado na
equipa de Medições e Controlo Geométrico, do Centro de Medições, Masterbuck e Cubing. O problema
identificado consiste na remoção e transporte de dispositivos de fixação, do interior dos armários
industriais, onde se encontram armazenados, até ao local onde se encontram as estações de medição
e onde serão montados nas paredes de fixação, sendo que as mesmas podem ser horizontais ou
verticais, dependendo da peça ou subconjunto que vai ser analisada.
13
Os dispositivos de fixação são módulos construídos em alumínio, compostos por uma base,
por uma torre de perfil quadrado e por um grampo, clamp. A base tem a função de se fixar à sandwich
plate e o grampo é responsável por prender o elemento a medir. Todos os dispositivos de fixação
apresentam furos idênticos para redução de massa, com 20 mm de diâmetro. Na figura 9 apresenta-se
um dispositivo de fixação modelado no software CATIA V5.
Figura 9: Dispositivo de fixação (modelado no software CATIA V5)
A massa dos dispositivos de fixação utilizados varia entre 8,5 e 26 kg. Cada peça ou
subconjunto a analisar tem um conjunto de dispositivos associado, sendo que o maior encontrado tem
onze dispositivos de fixação, num total de 132,5 kg, que devem de ser transportados e montados pelo
técnico responsável pela medição.
O seu transporte e remoção do armário requer e implica ao trabalhador um grande esforço a
nível lombar, da coluna e dos membros superiores.
Diariamente, contabilizando todos os turnos de trabalho, realizam esta função 16 técnicos. A
idade média destes trabalhadores é superior a 45 anos, sendo que alguns apresentam mazelas físicas,
a nível da coluna ou dos membros superiores, como hérnias discais ou tendinites, devido aos vários
anos a trabalhar nesta função, estando assim limitados a transportar cargas reduzidas.
Após observação, investigação e contacto com os técnicos, concluiu-se e identificou-se a
remoção dos dispositivos de fixação de dentro do armário como a operação mais crítica e de maior
esforço e exigência para os trabalhadores, devido à profundidade das prateleiras e à massa dos
dispositivos de fixação a transportar.
14
3.2 Enquadramento normativo
A VW AE rege-se pela norma ISO 11228-1, no que diz respeito à ergonomia, nomeadamente
ao levantamento e transporte de cargas. Esta norma estabelece as seguintes recomendações [15]:
Não deve ser excedido o limite máximo de 25 kg no levantamento manual de uma carga.
No caso de o levantamento manual ser repetido, a frequência máxima é de 15 levantamentos
por minuto, sendo que a carga máxima admissível correspondente ao número de
levantamentos se pode analisar no gráfico da figura 10, para uma duração máxima de uma
hora e para uma duração média de uma a duas horas. No caso de a frequência ser máxima, a
duração total não pode exceder uma hora e a carga está limitada a 7kg.
Figura 10: Gráfico - Carga máxima admissível em relação ao número de levantamentos [15]
A carga acumulada durante as 8 horas de trabalho diário não deve exceder os 10000 kg, em
condições ideais, sendo que se o trabalhador tiver de percorrer uma distância superior a 20 m
para o seu transporte, o limite passará para 6000 kg.
Não é possível combinar a carga máxima com a frequência máxima de levantamentos por
minuto, uma vez que se ultrapassaria os limites máximos diários para a carga acumulada.
Na tabela 1 apresentam-se exemplos de combinação de carga e frequência para os limites
recomendados da carga acumulada em função da distância percorrida.
15
Tabela 1: Exemplos de combinação de carga e frequência para os limites recomendados [15]
Apesar do limite máximo estabelecido ser 25 kg, é de notar que a norma recomenda 15 kg
como o valor de referência para o levantamento manual de uma carga.
3.3 Área de Trabalho
A área de trabalho onde a equipa de Medições e Controlo Geométrico opera é composta por
duas estações de medição ótica e por cinco estações de medição táctil. Cada uma delas é composta
por um par de aparelhos de medição táctil, conforme ilustrado na figura 11.
Figura 11: Estação de medição táctil [16]
16
Na mesma área encontram-se instalados cinco armários industriais, dois pares e um isolado.
Um dos pares (figura 12) está instalado numa plataforma de madeira, deck, a 70 cm do nível do chão,
sendo por isso necessário o recurso a degraus para lhes aceder. Nessa plataforma existem ainda
quatro docas, onde é possível colocar, com auxílio de um porta-paletes elétrico com plataforma, as
sandwich plates, de modo a facilitar a montagem e deslocação dos dispositivos de fixação, se o
elemento a medir tiver o seu conjunto de dispositivos num desses armários. Porém, devido a limitações
físicas da área de trabalho, nem sempre é possível utilizar as docas para satisfazer todas as estações
de medição, uma vez que existem diversos equipamentos em constante funcionamento na área.
Figura 12: Configuração dos armários instalados no deck (modelada no software SOLIDWORKS 2018)
No pior cenário identificado, os trabalhadores percorrem 65 metros, desde o armário até à
estação de medição. Para os auxiliar, no transporte dos dispositivos de fixação, têm apenas um carro
de transporte manual com duas plataformas metálicas. Após analisar os procedimentos realizados
pelos técnicos, concluiu-se que a operação mais crítica, identificada anteriormente, é mais complexa e
a que provoca maior desgaste, quando os dispositivos de fixação se encontram nos armários instalados
no deck.
17
4. Breve revisão bibliográfica
4.1 Soluções existentes no mercado
Esta secção é dedicada à investigação de práticas existentes e soluções encontradas noutras
áreas industriais, que possam ser úteis à resolução do problema referido no capítulo anterior. O objetivo
desta secção não passa por encontrar uma solução, mas sim por examinar ideias e ferramentas
implementadas na resolução de problemas semelhantes, nomeadamente de manipulação e transporte
de ferramentas ou peças, de modo a poder estruturar, de forma clara e objetiva, possíveis soluções a
aplicar.
4.1.1 Sistema de calhas para extração de prateleira
O primeiro mecanismo encontrado consiste num sistema de calhas que permite ao trabalhador
extrair a prateleira selecionada de dentro do armário, podendo ter maior acesso a todas as ferramentas
e peças que nele se encontrem armazenadas. É uma solução prática e de relativa simplicidade de
implementação, que permite melhorar de forma ergonómica o esforço e o conforto dos trabalhadores,
uma vez que os mesmos não necessitam de se debruçar dentro do armário para retirar quaisquer
objetos.
Existem diversos tipos de sistemas de calhas, sendo que os que suscitaram maior interesse
foram os sistemas com guias telescópicas e os sistemas de calhas fold-down (figura 13), uma vez que
permitem ser recolhidos, quando não estiverem a ser utilizados.
Figura 13: Sistema de calhas fold-down para extração de prateleiras [17]
Normalmente estes sistemas são produzidos pelos fabricantes dos armários, sendo
apresentados como opção durante a sua aquisição. Porém é de notar que nem todos os armários são
compatíveis com este tipo de solução.
18
4.1.2 Carro com calhas para transporte de prateleiras
Este dispositivo consiste num carro robusto acoplado com calhas que permitem extrair as
prateleiras de dentro do armário (figura 14). O trabalhador deve apenas encostar o carro ao armário e
remover a prateleira para a plataforma do carro, através das calhas. Este equipamento permite o
transporte de todas as ferramentas e peças que se encontrem na prateleira, em simultâneo, até ao
destino onde as mesmas são necessárias.
Figura 14: Carro com calhas para transporte de prateleiras [17]
Estes dispositivos são contruídos à medida das prateleiras, sendo que cada carro corresponde
a um modelo específico de armário. Porém não é possível encontrar este tipo de carros para todos os
armários, uma vez que a partir de uma certa dimensão, seriam excessivamente grandes, o que
dificultaria o seu transporte. Segundo a empresa Slidelog, representante de diversas marcas de
equipamentos e sistemas logísticos, e fornecedora dos armários do departamento, não existe nenhum
equipamento disponível para os armários, uma vez que as prateleiras têm um comprimento superior a
3 m.
4.1.3 Pontes rolantes
As pontes rolantes são estruturas de construção robusta, caracterizadas pela elevada
capacidade de carga. Da vasta gama de pontes rolantes existentes no mercado, a ponte rolante
monoviga (figura 15) é aquela que mais se ajusta ao problema identificado.
19
Figura 15: Ponte rolante monoviga [18]
Contudo é necessário ter em atenção que este tipo de estruturas são tradicionalmente
projetadas e utilizadas para o transporte de cargas de grande dimensão, cuja massa ascende às
toneladas, pelo que a sua implementação para o transporte dos dispositivos de fixação só se justificaria
se fosse possível encontrar uma estrutura cuja capacidade de carga se enquadrasse com a massa dos
mesmos.
4.1.4 Gruas de oficina
As gruas são um dos equipamentos mais utilizados para o levantamento de cargas,
apresentando um vasto leque de soluções, com diferentes geometrias, mecanismos e capacidades de
carga, consoante a aplicação para que são projetadas. Ao analisar a vasta gama de gruas existentes
no mercado, as que suscitaram maior interesse para o problema identificado foram as gruas de oficina
(figura 16), pelas suas dimensões, pelas capacidades de carga e pela simplicidade do mecanismo que
utilizam.
O princípio de funcionamento de uma grua de oficina consiste num sistema hidráulico composto
por um cilindro hidráulico de duplo efeito e uma alavanca para a sua atuação, que permite elevar e
descer um gancho [19]. As gruas de oficina têm a particularidade de ser móveis, apresentando diversas
configurações e modelos de rodas na sua base, que permitem deslocar a carga de forma suave e
segura.
Figura 16: Grua de oficina [19]
20
Este tipo de gruas são utilizadas para efetuar diversas operações, como por exemplo, retirar e
colocar motores em veículos ou elevar e transportar cargas de dimensões reduzidas, pelo que a sua
análise suscitou interesse, uma vez que existe a possibilidade de utilizar, adaptar ou modificar este
equipamento à manipulação e transporte dos dispositivos de fixação.
4.1.5 Exosqueletos
Os exosqueletos são dispositivos utilizados para reduzir o esforço, a fadiga e permitir o
cumprimento de tarefas com maior ergonomia, conferindo conforto e agilidade aos trabalhadores. Estes
equipamentos são dispositivos articulados, construídos à medida dos trabalhadores, que podem ser
aplicados aos membros inferiores, superiores e ao tronco. Caracterizados por serem leves e de fácil
implementação, os exosqueletos estão a ser desenvolvidos e aplicados em vários setores e empresas,
como por exemplo no VW AG, na Ford Motor Company (FMC) e na Fiat Chrysler Automobiles (FCA)
[20].
Os exosqueletos acompanham todos movimentos dos trabalhadores, corrigindo a postura e
agilizando as tarefas que exigem maior esforço e risco para saúde, prevenindo acidentes de trabalho e
lesões a longo prazo.
É expectável que nos próximos anos, a implementação deste tipo de dispositivos, nas unidades
fabris, se torne cada vez mais frequente e que a sua utilização permita melhorar a qualidade e as
condições de trabalho, bem como reduzir o risco de problemas associados ao mesmo. Na figura 17
apresenta-se a utilização de exosqueleto.
Figura 17: Utilização de um exosqueleto [21]
21
4.2 Medidas implementadas
No âmbito do problema referido anteriormente, o departamento, com o objetivo de promover e
assegurar melhores condições de trabalho e reduzir os problemas associados ao mesmo, tem vindo a
desenvolver e implementar medidas para agilizar e atenuar os efeitos sentidos pelos trabalhadores da
equipa de Medições e Controlo Geométrico, no transporte dos dispositivos de fixação.
As medidas implementadas focaram-se na resolução de situações pontuais, onde se verificou
a necessidade de atuar rapidamente, de modo a não prolongar a sua execução. De seguida
apresentam--se as medidas implementadas.
4.2.1 Construção de estruturas Rahmen
Uma das soluções encontradas para diminuir o desgaste e o esforço sentido pelos
trabalhadores, centrou-se na criação e construção de algumas estruturas rígidas compostas pelos
dispositivos de fixação das peças que apresentam os maiores conjuntos a transportar (figura 18). Estas
estruturas são designadas por Rahmen, expressão alemã que define estrutura ou quadro, sendo
equivalente à expressão inglesa frame.
As Rahmen são construídas de modo a que a estrutura se mantenha exatamente igual à
sandwich plate, quando montada com os dispositivos de fixação correspondentes à peça a medir, ou
seja, as posições dos pontos de fixação devem permanecer impreterivelmente na “mesma posição”,
requerendo uma elevada rigidez estrutural, de modo a não alterar os resultados das medições e da
análise.
Figura 18: Exemplo de estrutura Rahmen [22]
22
O projeto destas estruturas é minucioso e requer um elevado tempo de análise e investigação,
passando por diversas etapas, desde a investigação e identificação da peça e do seu conjunto de
dispositivos a selecionar, ao projeto e design da estrutura, sendo que no fim da construção, a mesma
deve ser ensaiada e testada para poder ser aprovada.
Com estas estruturas, os trabalhadores não necessitam de retirar os dispositivos de fixação
dos armários e transportá-los manualmente até às paredes de fixação, apenas necessitam de
transportar a Rahmen até à estação de medição, com o auxílio de um empilhador.
4.2.2 Alteração dos dispositivos de fixação
Devido à sua dimensão, complexidade e massa, alguns dispositivos de fixação apresentam um
elevado nível de dificuldade no seu manuseamento, transporte e fixação à sandwich plate. Os
trabalhadores que operam com os dispositivos de fixação têm vindo a identificar os mais problemáticos
e a propor a sua alteração. As alterações dos dispositivos de fixação consistem na sua divisão e
restruturação, transformando um em dois ou mais dispositivos, de modo a que o trabalhador não
necessite de exercer tanto esforço num só dispositivo e que o mesmo seja repartido, reduzindo a fadiga
e o desgaste provocado. As operações de alteração são efetuadas recorrendo a maquinação
convencional, por técnicos experientes e qualificados, num laboratório existente no departamento.
A implementação deste tipo de medidas é relativamente rápida e simples, não exigindo a
alocação de um elevado número de recursos e meios, porém o seu desenvolvimento ainda se encontra
numa fase embrionária de estudo e análise.
23
5. Conceitos
Este capítulo será dedicado à apresentação de propostas de solução e dos respetivos
conceitos. Serão apresentadas abordagens diferentes, esboços e ideias para solucionar o problema
identificado, passando pela elaboração de modelos e conceitos, com o intuito de se poder selecionar o
que mais se ajusta às necessidades dos técnicos, bem como às limitações físicas impostas pela área
de trabalho. Embora diferentes, todos os conceitos serão baseados no princípio de um manipulador
que permita pegar nos dispositivos de fixação e manuseá-los.
Não se procura encontrar e apresentar a solução final, mas sim poder ter a perceção do rumo
a seguir e da tipologia de conceito que se irá adotar. Após selecionar o conceito que mais se ajuste ao
problema identificado, será dada continuidade ao seu desenvolvimento e projeto.
5.1 Primeiro conceito
O primeiro conceito consiste num manipulador móvel composto por um braço articulado
giratório acoplado a um carro de transporte com uma plataforma elevatória, ver figura 19.
Figura 19: Primeiro conceito (modelado no software CATIA V5)
O carro apresenta uma plataforma elevatória do tipo tesoura de cruzeta simples, cuja regulação
de altura é efetuada através de um cilindro hidráulico acionado por um pedal. Este mecanismo é
semelhante ao encontrado nas plataformas elevatórias elétricas utilizadas nas áreas da construção e
manutenção, pelo que também poderá ser elétrico, sendo apenas necessário recorrer a um comando
24
para ser acionado. Todavia, neste conceito, não se encontrou a necessidade de selecionar o
mecanismo elétrico pelo que se optou pelo mecanismo de pedal.
De modo a operar e deslocar o manipulador com conforto e segurança, é sugerido que o carro
de transporte apresente duas rodas fixas, duas rodas giratórias e que seja equipado com um travão
numa das rodas giratórias, para que se possa imobilizar o carro com facilidade, quando não estiver a
ser deslocado, de forma a prevenir qualquer tipo de movimento repentino.
O braço consiste numa grua articulada com um gancho na sua extremidade, composta por um
cilindro hidráulico de duplo efeito, cuja atuação é efetuada a partir de uma alavanca. Este mecanismo
é semelhante ao utilizado nas gruas de oficina, referidas anteriormente, pelo que o projeto e
desenvolvimento do mesmo se pode basear na adaptação dos sistemas já existentes.
O acoplamento do braço à plataforma do carro é efetuado através de um sistema aparafusado
que garanta e confira ao braço uma rotação de 360º, em torno do eixo vertical, permitindo ao gancho
alcançar e abranger toda a profundidade da prateleira que se encontra no interior do armário.
Assim, o manipulador criado pela junção destes dois elementos tem a capacidade de alcançar
e retirar quaisquer dispositivos de fixação das prateleiras, posicionar os mesmos em simultâneo na
plataforma do carro e transportá-los até às estações de medição, reduzindo a fadiga e o desgaste
sentidos pelos trabalhadores e melhorando a ergonomia de todo o processo.
5.2 Segundo conceito
O segundo conceito apresentado consiste num manipulador fixo, composto por um braço
acoplado a um pórtico, que apresenta um diferencial elétrico na sua extremidade, ver figura 20.
Figura 20: Segundo conceito (modelado no software CATIA V5)
25
O braço é acoplado à viga do pórtico através de um sistema que permite a sua translação e a
sua rotação em torno do eixo vertical. Este sistema é semelhante ao encontrado nos carros porta-
-diferencial, com a diferença de ter um mecanismo que permita tanto suportar o braço, como assegurar
a rotação livre do mesmo, uma vez que estes sistemas apenas se destinam a ter montado um
diferencial elétrico e permitir a sua translação. As operações de translação e rotação do braço serão
efetuadas manualmente pelos trabalhadores.
Na extremidade do braço encontra-se montado, com auxílio a braçadeiras, um diferencial
elétrico de cabo (figura 21), que através de um motor elétrico e recorrendo a um comando, permite
descer e subir um gancho, que irá prender os dispositivos de fixação e elevá-los.
Figura 21: Diferencial elétrico de cabo [23]
A estrutura deverá ser projetada de modo a que a altura do braço se encontre ao nível da parte
superior da abertura do armário, de forma a otimizar o espaço ocupado e permitir a maior altura possível
no interior armário, para que o gancho possa elevar e manipular os dispositivos de fixação da prateleira,
sem existir o risco de os mesmos colidirem com os restantes que nela se encontrem arrumados.
Tanto a rotação do braço como a sua translação ao longo da viga, possibilitam ao gancho
alcançar qualquer região da prateleira, permitindo manipular todos os dispositivos de fixação que nela
se encontrem e consequentemente retirá-los e colocá-los num carro para serem transportados até às
paredes de fixação, que se encontrem nas estações de medição.
Com este manipulador é possível solucionar a necessidade de o trabalhador retirar
manualmente os dispositivos de fixação do interior do armário, que anteriormente tinha sido identificada
como a atividade de maior desgaste e esforço físico de todo o processo.
Assim, este conceito melhora a ergonomia do processo e reduz substancialmente quer a
dificuldade do mesmo, como o risco de lesões associadas à sua execução.
26
5.3 Terceiro Conceito
O terceiro conceito consiste num manipulador composto por uma coluna fixa com dois braços
giratórios e um diferencial elétrico de cabo, cuja modelação é apresentada na figura 22. A coluna será
instalada no chão ou na base do deck e apresenta na sua parte superior um braço, que por sua vez
está ligado a outro que apresenta acoplado na sua extremidade um diferencial elétrico de cabo com
gancho.
Ambos os braços são dotados de rotação livre, devido a rolamentos presentes nas suas
ligações, o que confere ao diferencial elétrico a possibilidade de, tal como no conceito anterior, alcançar
qualquer região do interior do armário, proporcionando aos trabalhadores a possibilidade de
deslocarem os dispositivos de fixação com destreza e perícia desde a prateleira até um carro para
serem transportados para as estações de medição, aumentando o conforto do processo e reduzindo
os riscos associados à realização do mesmo. Através das ligações referidas, é possível recolher o
braço que contém o diferencial elétrico, de forma a ficar totalmente “arrumado” por baixo do braço que
está montado na coluna. Desta forma irá conferir a este conceito a capacidade de reduzir a área
ocupada, quando o mesmo não estiver a ser utilizado, o que facilita a movimentação dos trabalhadores
e previne possíveis acidentes, como a colisão dos mesmos com o braço ou com o diferencial elétrico.
Este conceito pode ser utilizado em todos os armários, sendo que no caso dos que se
encontram aos pares, a instalação deverá ser efetuada no meio dos mesmos, de forma a que o braço
possa abranger toda a área de ambas as prateleiras.
Tal como no conceito anterior, este manipulador deverá ser projetado de forma a que o braço
que contém o diferencial elétrico esteja à altura da parte superior da abertura do armário. Isto de modo
a otimizar o espaço ocupado e permitir ao gancho ter a maior altura possível, dentro do armário, para
que possa elevar e manipular os dispositivos de fixação, sem ocorrer o risco de colisão dos mesmos
com os restantes que se encontrem na mesma prateleira.
Figura 22: Terceiro conceito (modelado no software CATIA V5)
27
5.4 Quarto Conceito
O quarto conceito difere dos restantes pelo facto de utilizar infraestruturas existentes do local
onde será instalado. Este conceito consiste num manipulador composto por uma viga e um diferencial
elétrico de corrente.
A viga será soldada a um pilar e a outra viga que se encontra instalada na parede adjacente
aos armários que se encontram no deck, ambos de perfil IPE. Acoplado à viga está um diferencial
elétrico de corrente (figura 23), que se pode deslocar livremente ao longo de todo o comprimento da
mesma, através de um carro porta-diferencial. Tal como no segundo conceito, a deslocação do
diferencial será efetuada manualmente pelos trabalhadores.
Figura 23: Diferencial elétrico de corrente [24]
Para que seja possível utilizar este manipulador e solucionar o problema identificado, é
necessário fazer com que as prateleiras sejam extraídas do armário, uma vez que neste conceito não
é possível operar o diferencial elétrico dentro do mesmo.
Assim para a elaboração deste conceito é necessário o desenvolvimento de um sistema de
calhas que permita ao trabalhador, com relativa facilidade, proceder à extração e posterior introdução
das prateleiras no interior dos armários, de modo a permitir a utilização do manipulador para retirar e
transportar os dispositivos de fixação até um carro que posteriormente irá transportá-los para as
paredes de fixação, que se encontrem nas estações de medição.
Na figura 24 apresenta-se o esboço deste manipulador, modelado no software CATIA V5.
28
Figura 24: Quarto conceito (modelado no software CATIA V5)
5.5 Quinto Conceito
O quinto conceito parte de um conjunto de ideias e soluções existentes, tanto utilizadas na
fábrica, como apresentadas por empresas da área logística. Este manipulador consiste numa estrutura
de ponte rolante com quatro pilares e um diferencial elétrico de corrente com gancho, ver figura 25.
Figura 25: Quinto conceito (modelado no software CATIA V5)
29
Os pilares devem ser instalados entre os degraus e a primeira doca, de modo a permitir ao
diferencial elétrico operar em toda a região desde os armários até ao fim da doca, o que representa,
face aos três anteriores conceitos, uma melhoria em termos de área de atuação, visto que os mesmos
apenas permitiriam abranger a região dos armários e retirar os dispositivos de fixação do seu interior.
Neste conceito o diferencial elétrico desloca-se ao longo de dois eixos, transversalmente em
relação à viga onde está acoplado e longitudinalmente devido à translação da viga em relação à
estrutura, sendo que ambas as deslocações são efetuadas manualmente pelo trabalhador, não
existindo qualquer auxílio de motores elétricos para a sua movimentação.
Para reduzir o esforço dos trabalhadores na deslocação referida, facilitar as manobras com o
diferencial elétrico e melhorar a ergonomia do processo, é sugerido, que se adote e implemente um
sistema modular KBK.
O sistema KBK é um sistema modelar, desenvolvido pela empresa alemã Demag®, utilizado na
indústria há mais de 50 anos, caracterizado por ser flexível, de fácil implementação em diversas
infraestruturas e por permitir ser modificado a qualquer altura, sendo um sistema utilizado para o
transporte, elevação e manipulação de cargas pequenas e médias, otimizando as operações logísticas.
Existem diversas aplicações do sistema KBK, sendo possível combinar, com este sistema
modular, pontes rolantes suspensas, monocarris, pórticos e gruas de coluna e de parede [25].
Os perfis utilizados neste sistema (figura 26) são perfis de aço laminados a frio, que conferem
uma elevada resistência mecânica e um peso reduzido, quando comparados com outro tipo de
estruturas. Existe ainda uma gama de perfis em alumínio, indicados para instalações especiais.
Figura 26: Perfis KBK [25]
A translação da ponte rolante é efetuada através de mecanismos normalizados para cada perfil,
denominados carros porta-diferencial ou trolleys, sendo caracterizados por serem silenciosos e por
permitirem ao trabalhador deslocar a carga com maior conforto, tornando o processo mais ergonómico.
Neste conceito, para além da ponte rolante, poderá ser necessário avaliar a necessidade de
desenvolver um sistema que permita a extração das prateleiras do interior do armário, de modo a que,
30
tal como no conceito anterior, o gancho do diferencial elétrico possa alcançar os dispositivos de fixação
e transportá-los até ao destino pretendido.
A ser desenvolvido, o mecanismo do sistema de extração das prateleiras deve ser projetado
de forma a que possa ser arrumado ou rebatido, quando não utlizado, não ocupando espaço nem
dificultando a movimentação dos trabalhadores que operam na área. Algumas soluções podem ser
tidas em conta como o sistema de calhas com guias telescópicas ou o sistema de calhas fold-down,
apresentadas anteriormente.
Porém poderá não ser necessário o desenvolvimento deste sistema de extração de prateleiras,
uma vez que se for possível construir a estrutura o mais próximo possível do armário, a corrente do
diferencial elétrico permitirá ao gancho entrar no interior do mesmo, o que reduzirá os custos de
implementação desta solução e não irá condicionar a normal circulação dos trabalhadores no local.
Possivelmente poderá ser necessário prolongar a estrutura da primeira doca até ao pilar da
ponte rolante que se encontra instalado mais próximo, de modo a evitar problemas de colisão dos
trabalhadores com o mesmo. Outra solução para evitar este problema pode passar por instalar o pilar
no deck, não condicionando o normal funcionamento da área de trabalho.
5.6 Análise de conceitos
Após terem sido apresentados os conceitos para solucionar o problema identificado, é
necessário proceder à análise dos mesmos e à sua comparação, de modo a poder selecionar o que
mais se ajusta às necessidades referidas.
Conceito 1
O primeiro conceito tem como vantagens o facto de ser prático e móvel, permitindo aos
trabalhadores transportar os dispositivos de fixação, desde o interior dos armários até às paredes de
fixação, elevando-os à altura das mesmas, devido à regulação em altura da plataforma do carro e do
braço articulado, não necessitando de recorrer a outro sistema para o transporte, o que torna esta
solução apelativa do ponto de vista do utilizador.
Porém este conceito não pode ser utilizado nos armários que se encontram instalados no deck,
quer pelo pavimento ser irregular e estreito, não permitindo a mobilidade dos trabalhadores com o
manipulador, quer pelo facto do acesso ser efetuado através de degraus, sendo esta uma das suas
maiores desvantagens, assim como o possível risco de instabilidade associado ao processo de
extração dos dispositivos de fixação do interior dos armários, uma vez que a posição em que o braço
alcança, prende e eleva os dispositivos de fixação em relação ao centro de massa do manipulador pode
gerar momentos que comprometam a estabilidade do carro e a segurança de todo o processo.
31
Conceito 2
Ao contrário do primeiro conceito, o segundo consiste numa solução fixa, pelo que as
vantagens que apresenta diferem das vantagens do conceito anterior. Ao apresentar uma estrutura
fixa, este manipulador permite aos trabalhadores executar com relativa facilidade e comodidade as
operações de remoção e manipulação dos dispositivos de fixação do interior do armário, sendo apenas
necessário deslocar o braço manualmente.
Uma das principais vantagens deste conceito está relacionada com o facto de ser possível
instalá-lo em qualquer armário, mesmo nos que se encontram aos pares, sendo que nesse caso o
pórtico será único e o seu comprimento igual à largura do conjunto. Face ao conceito anterior, este
destaca-se por permitir a sua instalação no conjunto de armários que se encontram no deck, que
anteriormente foi identificado como o conjunto e o local onde a operação mais crítica tem maior impacto
sobre os trabalhadores, sendo que nesse caso, será necessário adaptar o deck à medida de uma das
bases do pórtico, uma vez que instalação do mesmo deverá ser efetuada ao nível do chão.
Todavia este manipulador, por ser uma estrutura fixa, não permite transporte dos dispositivos
de fixação até às paredes de fixação, apenas possibilita a colocação dos mesmos num carro de
transporte, o que configura a sua maior desvantagem.
Conceito 3
O terceiro conceito tem como vantagens a facilidade com que o trabalhador pode operar o
manipulador e o facto deste permitir solucionar a necessidade mais crítica identificada, podendo ser
instalado no conjunto de armários do deck, à semelhança do conceito anterior. Para além destas
vantagens, esta solução permite recolher o braço que tem acoplado o diferencial elétrico de cabo,
posicionando-o de baixo do braço que está ligado à coluna, o que promove um melhor aproveitamento
do espaço de trabalho quando o mesmo não estiver a ser utilizado e prevenindo possíveis acidentes
entre os trabalhadores e os braços.
Porém, uma vez que será instalado no meio dos armários, que se encontram aos pares, este
conceito irá condicionar o normal funcionamento da área de trabalho, especialmente no caso do
conjunto de armários que se encontram no deck, em que a área disponível para a circulação dos
trabalhadores é estreita, o que face aos restantes conceitos, configura a sua maior desvantagem.
Conceito 4
O quarto conceito tem como principal vantagem o facto de minimizar o espaço utilizado pela
estrutura, ao aproveitar as instalações existentes no local para a fixação da viga, eliminando assim a
necessidade de projetar e implementar estruturas como pilares para a base da mesma, como se pode
verificar no segundo conceito, o que facilita a sua implementação e não altera a configuração da área
de trabalho.
32
Porém esta solução apenas pode ser aplicada ao conjunto de armários que se encontram
instalados na zona do deck, não existindo a possibilidade de ser adaptada aos restantes, uma vez que
as estruturas existentes utilizadas no seu projeto somente se encontram na região referida. Para além
desta desvantagem, será necessário efetuar uma avaliação minuciosa do impacto que a viga terá nas
estruturas existentes, o que poderá limitar o projeto e dificultar o cumprimento do objetivo estabelecido.
Conceito 5
Por fim, o quinto manipulador apresentado confere aos trabalhadores uma operação segura,
confortável e ergonómica, devido à facilidade e suavidade de deslocação e manipulação dos
dispositivos de fixação, apenas possível graças aos mecanismos de translação e ao reduzido peso da
estrutura, resultante dos materiais e perfis utilizados na sua construção.
No caso de se optar pela utilização do sistema modular KBK, a montagem e instalação da
estrutura da ponte rolante será simples e terá associado um reduzido nível manutenção. Estas
vantagens justificam a adoção deste sistema, no caso de se selecionar este conceito para a resolução
da necessidade identificada.
Este manipulador combinado, ou não, com a implementação de um sistema de extração de
prateleiras para os armários, permite operar e transportar os dispositivos de fixação desde os armários
até a um carro de transporte ou até ao fim da primeira doca, permitindo aos trabalhadores prender dos
dispositivos de fixação na sandwich plate que nela estiver inserida.
Contudo este conceito apresenta, à semelhança de outros, a desvantagem de não poder ser
adaptado a todos os armários, apenas pode ser instalado no conjunto de armários que se encontram
no deck, não sendo possível implementá-lo nos restantes, devido a limitações físicas do local de
trabalho, uma vez que entraria em conflito com aparelhos existentes e com áreas de trabalho de outras
equipas. No entanto, é de notar que permite ser instalado no conjunto de armários onde a operação
mais crítica tem maior impacto e desgaste nos trabalhadores.
5.7 Seleção de conceitos
Com o intuito de selecionar o conceito a adotar para se proceder à sua investigação,
desenvolvimento e implementação, recorreu-se ao método de pontuação de conceitos [26]. Este
método baseia-se na elaboração de matrizes de decisão, nas quais os conceitos são avaliados com
base em critérios de seleção, devidamente escolhidos e aos quais foi atribuída uma ponderação, e
posteriormente ordenados consoante a sua classificação final.
Após definidos os critérios de seleção, os conceitos são avaliados recorrendo a um sistema de
pontuação relativa, cujos valores variam entre 1, valor mais baixo, e 5, valor mais elevado. Por fim,
após a avaliação referida, a classificação dos conceitos é dada pela soma das avaliações ponderadas
[26]:
33
𝑆𝑗 = ∑ 𝑟𝑖𝑗𝑤𝑖𝑛𝑖=1 (1)
Onde:
𝑆𝑗 = Pontuação do conceito j
𝑛 = Número de critérios
𝑟𝑖𝑗 = Avaliação do conceito j para o critério i
𝑤𝑖 = Peso do critério i
Em todas as etapas do processo de seleção, nomeadamente na definição dos critérios de
seleção, na atribuição das respetivas ponderações e na avaliação dos conceitos através do sistema de
pontuação relativa, foi tida em conta a opinião dos trabalhadores que operam os dispositivos de fixação
e dos responsáveis do departamento, de modo a integrar a equipa no processo de seleção e poder, de
forma lúcida e consciente, selecionar o conceito que melhor satisfaça as necessidades referidas.
Assim, de acordo com a informação apresentada anteriormente, existem 𝑗 = 5 conceitos de
manipuladores, sendo que a sua avaliação foi baseada em 𝑛 = 5 critérios:
Instalação: Este critério apresenta uma baixa ponderação pelo facto de não ser um critério
crucial para a seleção, uma vez que não será pela sua complexidade que o melhor conceito
será, ou não, implementado. Porém é introduzido nesta seleção, visto que a sua complexidade
poderá estar relacionada com o custo final do manipulador e com o seu tempo de
implementação. O peso atribuído a este critério é igual a 10%.
Fiabilidade: Este critério está relacionado com a estabilidade do manipulador. Como nenhum
dos conceitos foi desenvolvido em detalhe, a avaliação da fiabilidade é meramente subjetiva.
Este critério é de relativa importância, pelo que se atribuiu um peso igual a 20%.
Ergonomia: Este critério está relacionado com o nível de execução das tarefas inerentes à
satisfação do problema identificado, sendo que a sua avaliação será maior no caso do
manipulador permitir retirar os dispositivos de fixação do armário, transportá-los e fixá-los às
paredes de fixação, de forma cómoda e segura para os trabalhadores, reduzindo o esforço e o
desgaste sentidos pelos mesmos. Este critério é o mais importante de todo o processo de
seleção, tendo sido atribuído o peso de 40%.
Localização: É importante ter em consideração o espaço necessário a utilização do
manipulador, uma vez que pode condicionar o normal funcionamento do local de trabalho.
Atribuiu-se a este critério o peso de 15%.
Versatilidade: Este critério está relacionado com um dos aspetos relevantes na implementação
do manipulador, a capacidade de o mesmo poder ser implementado em todos os armários, de
modo a solucionar definitivamente o problema referido, embora tenha sido identificado o
conjunto de armários, que se encontram instalados no deck, como a prioridade na resolução
do problema. À semelhança do anterior, foi atribuído a este critério o peso de 15%.
34
Através dos resultados apresentados na tabela 2, decidiu-se que o conceito que melhor
desempenho tem para o problema identificado é o quinto conceito, ou seja, a ponte rolante com
diferencial elétrico, implementada com o sistema KBK. Foi também decidido, juntamente com os
trabalhadores e com os responsáveis do departamento, que a presente dissertação se irá focar no
projeto deste manipulador para o conjunto de armários que se encontram instalados no deck, sendo
que para os restantes armários, o desenvolvimento de um manipulador será um projeto secundário a
desenvolver no futuro, fora do âmbito desta dissertação.
Tabela 2: Seleção dos conceitos
Conceitos
1 2 3 4 5
Critério Peso Nota Peso Nota Peso Nota Peso Nota Peso Nota Peso
Instalação 10% 4,5 0,45 3,0 0,30 3,0 0,30 1,5 0,15 3,5 0,35
Fiabilidade 20% 2,0 0,40 3,5 0,70 2,0 0,40 3,5 0,70 4,5 0,90
Ergonomia 40% 3,5 1,40 3,0 1,20 2,0 0,80 3,0 1,20 4,5 1,80
Localização 15% 5,0 0,75 3,5 0,53 2,0 0,30 5,0 0,75 3,0 0,45
Versatilidade 15% 2,0 0,30 5,0 0,75 5,0 0,75 3,0 0,45 3,0 0,45
Total 3,30 3,48 2,55 3,25 3,95
Classificação 3 2 5 4 1
35
6. Memória descritiva e justificativa
Tendo selecionado o quinto conceito, apresenta-se, neste capítulo, a documentação do projeto
desenvolvido para o mesmo.
6.1 Requisitos do projeto
I. O manipulador deve ser dimensionado de modo a que o diferencial elétrico abranja a
área entre os armários e a primeira doca.
Tal como referido anteriormente, uma das principais vantagens desta solução prende-se com
o facto de a mesma, face às restantes, poder ter a capacidade de alcançar as paredes de fixação que
se encontrem inseridas na primeira doca, pelo que este é um dos principais requisitos que deve ser
respeitado durante o projeto. Sendo assim, o diferencial elétrico deve operar numa área de 8000 mm
de comprimento por 3200 mm de largura.
II. O diferencial elétrico deve ter a capacidade de elevar todos os dispositivos de fixação
utilizados no departamento.
O diferencial elétrico deve satisfazer a necessidade de transportar todos os dispositivos de
fixação existentes, pelo que a sua capacidade de carga deve ser suficiente para o dispositivo mais
pesado, 26 kg.
III. O gancho do diferencial elétrico deve permitir a manipulação de todos os dispositivos
de fixação.
Uma vez que todos os dispositivos de fixação são caracterizados por apresentarem furos
idênticos, 20 mm de diâmetro, as dimensões do gancho do diferencial elétrico devem ser compatíveis
com as dimensões dos furos, de modo a poder manipular e transportar os dispositivos.
IV. A instalação deve ter a capacidade de ser desmontada e alterada, consoante as
necessidades.
As constantes alterações efetuadas na área de trabalho, quer de instalação de novos
equipamentos, quer de remoção e substituição de outros, implicam ao projeto a necessidade de garantir
a possibilidade de se adaptar a instalação, tanto desmantelá-la e deslocá-la para outro local, como
modificar a sua estrutura, acrescentando ou removendo elementos, sem comprometer a sua fiabilidade
e a capacidade de executar as tarefas para que foi projetado.
V. O projeto da ponte rolante suspensa KBK deve respeitar a metodologia de projeto da
empresa Demag®.
O projeto da ponte rolante suspensa KBK deve obrigatoriamente seguir as metodologias e as
indicações de projeto especificadas pela marca e disponibilizadas numa vasta gama de documentação
36
técnica de projeto. Para além de consultar a documentação, a marca disponibiliza e recomenda a
utilização do software Demag Designer®, que permite elaborar, com precisão, o projeto com as
dimensões e especificações desejadas [25].
VI. Utilização de perfis e componentes normalizados para as estruturas de suporte.
Uma vez que o sistema de ponte rolante KBK é um sistema suspenso, todos os perfis,
parafusos e anilhas das estruturas de suporte que serão projetadas para a sua suspensão deverão ser
normalizados e deverão estar disponíveis no mercado.
6.2 Constrangimentos do projeto
I. A altura da instalação não deve ser superior a 4,5 m.
Este constrangimento é imposto pela configuração da área de trabalho, uma vez que se for
ultrapassado este valor haverá risco de colisão da instalação com o equipamento utilizado para o
transporte de carroçarias e subconjuntos.
II. A altura mínima do gancho na posição mais recolhida deve ser superior a 2,5 m.
De modo a satisfazer as necessidades identificadas e cumprir os objetivos mencionados
anteriormente, a altura da instalação deve garantir que a altura do gancho do diferencial elétrico, na
posição mais recolhida, seja superior à parede de fixação assente na primeira doca.
III. A instalação não pode ter mais de quatro estruturas de suporte.
Devido à configuração da área de trabalho, não é possível instalar estruturas de suporte no
meio do deck, uma vez que iriam condicionar a circulação dos trabalhadores e prejudicar o normal
funcionamento do local de trabalho. Por esta razão, o projeto fica limitado a quatro estruturas de
suporte, o que irá condicionar a seleção dos perfis KBK, uma vez que as vigas que possibilitam a
translação da ponte rolante apenas terão duas suspensões.
6.3 Desenvolvimento do conceito
Esta secção é dedicada ao desenvolvimento do conceito selecionado para o manipulador. Uma
vez que o sistema de ponte rolante KBK é um sistema suspenso, o seu desenvolvimento dividiu-se em
três etapas: na seleção do diferencial elétrico de corrente, no projeto e seleção da ponte rolante
suspensa KBK e por fim no projeto das estruturas de suporte. Nas duas primeiras etapas utilizou-se a
documentação técnica da marca e o software Demag Designer®, ambos disponibilizados gratuitamente,
pelo que se utilizou a nomenclatura definida nos mesmos. No projeto das estruturas de suporte
recorreu-se a catálogos técnicos e à metodologia de projeto mecânico apresentada por Budynas e
Nisbett [27]. As etapas de desenvolvimento encontram-se devidamente justificadas no capítulo 7.
37
6.3.1 Diferencial elétrico de corrente
6.3.1.1 Características gerais
Os diferenciais elétricos de corrente apresentados pela empresa Demag® são caraterizados
pela sua elevada qualidade e robustez. Apresentando uma gama de equipamentos com capacidades
de carga entre 80 e 5000 kg, é possível selecionar o diferencial elétrico que melhor se ajuste a cada
necessidade [28].
Os diferenciais elétricos apresentam as seguintes características:
Classificação FEM (European Federation of Materials Handling) entre 1Am e 4m, que corresponde,
respetivamente, entre 800 e 6300 horas de vida útil sujeito à carga máxima admissível.
Controlo por comando de 24 V, com altura regulável.
Duas velocidades de elevação: 4/1, 8/2, 12/3, 16/4 e 24/6 m/min, entre outras.
Paragem de emergência caso o sistema de falhe.
O sistema de travagem e as engrenagens não necessitam de manutenção nos primeiros 10 anos
de funcionamento.
Temperatura de serviço entre -20ºC e 45ºC.
6.3.1.2 Diferencial elétrico
A seleção do diferencial elétrico de corrente teve por base a análise de uma tabela de seleção,
na qual os dois principais parâmetros de seleção são a capacidade de carga e a velocidade de
elevação, como será apresentado na secção 7.2.1.
Partindo do dispositivo de fixação identificado com maior massa, 26 kg, selecionou-se a
capacidade de carga de 80 kg. Para os restantes parâmetros, optou-se sempre por selecionar o
diferencial com menor velocidade de elevação, uma vez que a manipulação e o transporte dos
dispositivos de fixação devem ser processos minuciosos.
Tendo em conta estes pressupostos, acabou por se selecionar o equipamento com as
velocidades de elevação 2 e 8 m/min, a uma frequência de 50 Hz.
Por fim, com os parâmetros acima definidos, selecionou-se, através da tabela 10 e
posteriormente recorrendo software Demag Designer®, a gama DC-Pro.
O diferencial elétrico selecionado apresenta a designação DC-Pro 1-80 1/1 H5 V8/2 380-
415/50, cujas principais características se apresentam na tabela 3 e as suas condições de serviço na
tabela 4.
Tabela 3: Características do diferencial selecionado [28]
Equipamento Capacidade
de carga (kg) Classificação
FEM Velocidades de elevação (m/s)
Altura de elevação (m)
Massa (kg)
DC-Pro 1 80 4m 2 e 8 5 22
38
Tabela 4: Condições de serviço do diferencial selecionado [28]
Tensão de alimentação (V)
Frequência (Hz)
Temperatura ambiente (ºC)
Humidade relativa
Altura acima do nível do mar
400 50 -20 a 45 Max. 80% Até 1000m
Por fim, apresenta-se, na figura 27, o diferencial elétrico selecionado com as respetivas
dimensões.
Figura 27: Diferencial elétrico selecionado (dimensões em mm) [28]
As dimensões do gancho do diferencial elétrico são compatíveis com os furos dos dispositivos
de fixação, permitindo ao gancho manipular e transportar todos os dispositivos, cumprindo assim o
requisito estabelecido.
Na figura 28 apresenta-se modelado, em CAD, um exemplo de manipulação de um dispositivo
de fixação.
Figura 28: Manipulação de um dispositivo de fixação (modelação no software SOLIDWORKS 2018)
39
6.3.1.3 Corrente
As correntes utilizadas nos equipamentos são correntes de secção circular em aço que
obedecem à norma EN 818-7 e cuja inspeção é regulada pela DGUV (German Social Accident
Insurance) através da norma DIN 685-5 [28].
Para o diferencial escolhido, selecionou-se a corrente Demag RDC/TDK standard chain, uma
vez que é a corrente padrão da marca e que as suas características correspondem às características
do equipamento.
Na tabela 5 apresentam-se as principais características da corrente selecionada.
Tabela 5: Características da corrente selecionada [28]
Corrente Gama do
diferencial Comprimento
(m) Capacidade
de carga (kg) Massa (kg/m)
RDC/TDK standard chain
DC 1 - 2 5 250 0,38
6.3.1.4 Mecanismo de translação
A ligação e translação do diferencial elétrico à viga da ponte rolante é efetuada através de um
mecanismo de translação, designado por carro porta-diferencial ou trolley. Cada perfil KBK tem
tabelado os mecanismos correspondentes a utilizar. A figura 29 ilustra a sua configuração consoante o
tipo de perfil.
Figura 29: Mecanismos de translação do diferencial elétrico para cada perfil KBK [28]
40
Após analisar a capacidade de carga dos mecanismos de translação, selecionou-se o
mecanismo de translação KBK I, cujas dimensões se encontram representadas na figura 30.
Figura 30: Dimensões do mecanismo de translação selecionado (mm) [29]
A marca estabelece que em termos de esforço para o trabalhador, a resistência de translação
do carro é de 1,5 % da carga transportada [29].
Em termos de temperatura de serviço, este equipamento apresenta uma gama que varia entre
-20ºC e 70ºC, sendo que entre -10ºC e 40ºC permite transportar 100 % da carga admissível.
Na tabela 6 apresenta-se a percentagem de carga admissível em função da temperatura de
serviço.
Tabela 6: Variação da carga admissível em função da temperatura [29]
Temperatura (ºC) -20 -15 -10 a 40 50 60 70
Percentagem de carga admissível (%) 50 80 100 90 75 50
O diferencial elétrico é conectado ao mecanismo de translação através de um suporte
aparafusado à parte superior do diferencial, que fica apoiado no perno do mecanismo de translação,
permitindo ao diferencial ficar suspenso e ter liberdade de movimento, não ficando fixo, de modo a
suavizar o processo de manipulação e transporte das cargas.
Para o diferencial elétrico escolhido, selecionou-se o suporte 2 cujas dimensões se encontram
representadas na figura 31.
Figura 31: Dimensões do suporte selecionado (mm) [28]
O suporte selecionado apresenta uma capacidade de carga de 450 kg [28].
41
6.3.1.5 Comando de controlo
O acionamento elétrico do diferencial é controlado por um comando de 24 V, constituído por
um termoplástico de elevada qualidade, com alta resistência a impactos, gordura, óleos e água salgada,
apresentando um grau de proteção IP65 [28]. De toda a gama disponível, selecionou-se o comando
DSC, uma vez que é o comando mais simples, sendo constituído apenas por um botão de emergência
e dois botões de acionamento do diferencial, cujas funções são elevar e descer o gancho, apresentando
uma massa de 0,38 kg. O cabo do comando elétrico tem comprimento ajustável entre 0,8 e 3,8 m.
As suas dimensões encontram-se representadas na figura 32.
Figura 32: Dimensões do comando DSC (mm) [28]: 1) botão de emergência, 2) botões de elevação
6.3.2 Ponte rolante suspensa KBK
6.3.2.1 Características gerais
O sistema KBK, Kombiniert Kran em alemão, é um sistema modular utilizado para a construção
de diversos sistemas de elevação de cargas, sendo um deles o sistema de pontes rolantes suspensas,
monoviga ou biviga, tal como referido anteriormente. Este sistema é concebido de modo a facilitar a
sua montagem e manutenção, sendo ainda possível, a qualquer momento, proceder ao seu
desmantelamento ou à sua expansão.
Todos os componentes presentes nas instalações são dimensionados em conformidade com
a norma DIN 15018 H1 B3, sendo que o projeto das mesmas respeita, em matéria de segurança e
prevenção de acidentes de trabalho, a norma DIN VDE [25].
42
As pontes rolantes KBK requerem um baixo nível de manutenção, no entanto é necessário
verificar a estrutura um mês após o início de funcionamento, para avaliar a necessidade de retificação
de algum componente da instalação.
Tal como referido, são utilizados perfis de aço laminado a frio, com elevada resistência
mecânica e peso reduzido (ver figura 26). Uma das particularidades deste sistema é permitir a
instalação de diferentes perfis na mesma estrutura, de modo a aproveitar ao máximo as características
e propriedades de cada um, consoante as necessidades e requisitos do projeto.
As suspensões utilizadas nas pontes rolantes são universais e adaptam-se a qualquer sistema
KBK, existindo dois tipos de suspensões: KBK Classic e KBK Ergo. Graças às suspensões, as forças
horizontais sofridas pela estrutura devido à oscilação inerente ao transporte das cargas são no máximo
10% dos valores das mesmas [25].
A translação das pontes rolantes pode ser manual ou elétrica, sendo que no caso de ser elétrica
é necessário acoplar um motor elétrico à viga que se pretende deslocar. Para os requisitos deste projeto
e devido à massa dos dispositivos de fixação a transportar, não se considerou necessária a translação
elétrica, pelo que se optou pela translação manual.
Os componentes KBK têm uma deflexão máxima de 𝐿 350⁄ e estão protegidos contra a
corrosão, tendo no mínimo a categoria C2 (baixa corrosão) da norma ISO 12944-2. Os componentes
das suspensões são galvanizados e os restantes componentes apresentam uma pintura de
acabamento [25].
As estruturas foram projetadas para suportar temperaturas entre -20ºC e 70ºC, no interior de
edifícios. Na eventualidade de serem utilizadas no exterior, bem como no caso de estarem sujeitas a
temperaturas extremas, é necessário tomar medidas especiais e consultar o fabricante.
6.3.2.2 Nomenclatura
Antes de prosseguir, considerou-se necessário esclarecer a nomenclatura adotada. Tal como
referido no início da secção 6.3, uma vez que se utilizou a documentação técnica fornecida pelo
fabricante, a nomenclatura corresponde à encontrada na mesma.
Para distinguir os diferentes elementos da estrutura identificou-se a viga que contém o
diferencial elétrico como a viga da ponte rolante, ou simplesmente ponte rolante. Já as duas vigas que
possibilitam a translação da ponte rolante foram denominadas vigas do caminho de rolamento, ou
simplesmente caminho de rolamento.
A designação das variáveis de projeto também corresponde à nomenclatura encontrada na
documentação técnica e será introduzida à medida que as mesmas forem utilizadas.
43
6.3.2.3 Perfis KBK
Os perfis das vigas utilizadas na ponte rolante suspensa foram selecionados de acordo com os
requisitos de projeto definidos. A sua seleção teve por base a definição dos seguintes parâmetros [25]:
Carga total suportada pela ponte rolante: 𝐾 = 102,75 𝑘𝑔;
Comprimento das vigas do caminho de rolamento: 𝑙𝐺 = 8000 𝑚𝑚;
Comprimento da viga da ponte rolante: 𝑙𝐻𝑇 = 3200 𝑚𝑚;
Distância entre as vigas do caminho de rolamento: 𝑙𝐾𝑟 = 3000 𝑚𝑚.
Após definidos estes parâmetros, consultou-se o diagrama de capacidade de carga e as tabelas
de seleção do documento técnico. Optou-se posteriormente por combinar e comparar os resultados
obtidos com os resultados gerados no software Demag Designer®, de modo a confirmar a veracidade
dos mesmos, uma vez que as tabelas são uma fonte limitada que apenas fornecem algumas das
inúmeras possibilidades existentes para a seleção dos perfis.
Através do recurso às três ferramentas de seleção referidas e da conformidade dos seus
resultados, selecionou-se para a viga da ponte rolante, com 𝑙𝐻𝑇 = 3200 𝑚𝑚 de comprimento, o perfil
KBK I (figura 33).
Figura 33: Perfil KBK I da viga da ponte rolante (dimensões em mm) [25]
Para as vigas do caminho de rolamento, ambas com 𝑙𝐺 = 8000 𝑚𝑚 de comprimento,
selecionou-se o perfil KBK II (Figura 34).
44
Figura 34: Perfil KBK II das vigas do caminho de rolamento (dimensões em mm) [25]
A utilização do software Demag Designer® permitiu ainda obter a distância entre suspensões
do caminho de rolamento 𝑙𝑤 = 7760 𝑚𝑚, sendo que este valor apenas se aplica à viga do lado dos
armários, uma vez que a outra viga do caminho de rolamento terá uma distância entre suspensões
menor, 𝑙𝑤 = 6100 𝑚𝑚, em virtude das suas estruturas de suporte serem instaladas no deck, de modo
a não condicionar o normal funcionamento da área de trabalho, como já foi referido.
De seguida apresenta-se na tabela 7 as propriedades dos perfis selecionados.
Tabela 7: Propriedades dos perfis selecionados [25]
Perfil KBK KBK I KBK II
Momento de inércia 80 cm4 660 cm4
Eixo neutro Aproximadamente no centro do perfil
Material Aço S235
Todas as vigas apresentam nas suas extremidades tampas com para-choques (em inglês end
caps), de modo a limitar os movimentos de translação da ponte rolante e do diferencial elétrico,
garantindo a segurança, quer dos trabalhadores, como do próprio equipamento. Para cada perfil KBK
existe uma tampa com para-choques. Cada tampa KBK I apresenta uma massa de 0,27 kg e cada
tampa KBK II apresenta uma massa de 0,6 kg.
A figura 35 representa as tampas com para-choques, para os perfis KBK I e KBK II, com as
respetivas dimensões.
45
Figura 35: Tampas com para-choques para os perfis selecionados (dimensões em mm) [25]
6.3.2.4 Suspensão do caminho de rolamento
Tal como referido nas características gerais, as suspensões utilizadas nas pontes rolantes
suspensas KBK são universais e dividem-se em dois tipos de suspensão: KBK Classic e KBK Ergo. A
principal diferença entre estes dois tipos de suspensão está relacionada com as forças geradas pelo
transporte de carga. O sistema de suspensões KBK Classic foi desenvolvido para as situações em que
todas as forças têm a mesma direção e sentido. Já as suspensões KBK Ergo são suspensões que
foram concebidas para suportar forças e momentos em diferentes direções e sentidos.
Apresenta-se na figura 36 uma esquematização ilustrativa da diferença de aplicação dos dois
tipos de suspensão.
Figura 36: Suspensão a utilizar consoante a orientação das forças geradas [25]
Uma vez que o documento técnico recomenda utilização de suspensões KBK Ergo [25] para
as extremidades do caminho de rolamento e uma vez que cada viga apenas terá duas suspensões,
concluiu-se a utilização das mesmas.
A suspensão KBK Ergo suporta forças em diferentes direções e sentidos devido a um elemento
de borracha que se adapta à deflexão do caminho de rolamento.
Apresenta-se na figura 37 a suspensão KBK Ergo para o perfil KBK II com as respetivas
dimensões.
46
Figura 37: Vista frontal e lateral da suspensão KBK Ergo para o perfil KBK II (dimensões em mm) [25]
É de notar que para cada perfil KBK só existe uma suspensão do caminho de rolamento KBK
Ergo. Esta suspensão apresenta uma massa de 10,2 kg e uma capacidade de carga máxima de 1700
kg, sendo que através do software Demag Designer®, foi determinado que a reação máxima por
suspensão é de apenas 188 kg.
Por fim é importante referir que as suspensões selecionadas podem ser montadas em vigas de
perfil em I, desde o perfil IPE 140 ao IPE 270, ou em vigas de perfil em H, desde o perfil HEB 100 ao
HEB 120.
6.3.2.5 Mecanismos de translação da viga da ponte rolante
A ligação e translação da viga da ponte rolante em relação ao caminho de rolamento é efetuada
através de mecanismos de translação, à semelhança do diferencial elétrico.
Existe uma vasta gama de equipamentos, desde mecanismos de translação simples a duplos,
porém apenas alguns são compatíveis com pontes rolantes de translação manual, como se pode
observar na tabela da página 96 do documento técnico [25].
De todos os equipamentos disponíveis, selecionou-se o mecanismo de translação simples
Classic, por ser o mecanismo de referência para instalações de translação manual.
Para permitir a translação da ponte rolante, é necessário utilizar dois mecanismos, acoplando
um a cada viga do caminho de rolamento.
Na figura 38 apresenta-se o mecanismo de translação selecionado, com as respetivas
dimensões.
47
Figura 38: Mecanismo de translação simples Classic para o perfil KBK II (dimensões em mm) [25]
A ligação dos mecanismos de translação à viga da ponte rolante é efetuada através de
dispositivos standard designados por suspensão da ponte rolante, que são montados nos pernos dos
mecanismos de translação e acoplados à parte superior da viga da ponte rolante, como representado
na figura 39.
Figura 39: Suspensão da ponte rolante para o perfil KBK I [25]
6.3.2.6 Alimentação elétrica
A alimentação elétrica do diferencial elétrico é efetuada através de um cabo elétrico de secção
retangular proveniente de uma calha técnica que se encontra montada na viga do caminho de
rolamento mais próxima dos armários. Por recomendação do software Demag Designer® selecionou-
-se o cabo com secção 4×1.5 mm2.
O cabo desloca-se na calha técnica através de 5 sapatas deslizantes e tem 15,5 m de
comprimento.
48
6.3.3 Estrutura de suporte
A ponte rolante KBK é suspensa através de quatro estruturas de suporte compostas por uma
placa base, uma viga na posição vertical, denominada pilar, e uma viga na posição horizontal designada
de forca, na qual são montadas as suspensões KBK Ergo selecionadas para o caminho de rolamento.
É importante referir que para a instalação da ponte rolante suspensa KBK, o fornecedor teve de aprovar
as estruturas de suporte, uma vez que sem a sua aprovação, o projeto não poderia ser implementado.
Deste modo, após o projeto da estrutura de suporte, estabeleceu-se o contacto com o representante
da marca, que procedeu à sua validação.
Face aos requisitos e constrangimentos de projeto referidos anteriormente e à gama de perfis
compatíveis com as suspensões do caminho de rolamento, projetou-se e verificou-se a seguinte
constituição para as estruturas de suporte (figura 40):
Placa base de 300 x 200 mm com 5 mm de espessura;
Pilar de perfil IPE 200 com 4000 mm de comprimento;
Forca de perfil IPE 200 com 600 mm de comprimento;
Os elementos são ligados através de ligações soldadas de canto com 5 mm de altura;
As estruturas são fixadas ao chão através de ligações aparafusadas, compostas por quatro
parafusos M10 com classe de resistência 8.8 e 65 mm de comprimento, quatro anilhas
regulares M10 e quatro buchas metálicas.
Os perfis e as placas base utilizados nas estruturas de suporte são provenientes do catálogo
da empresa FERPINTA [30], produzidos cumprindo a norma EN 10025-2 e constituídos pelo aço
laminado a quente S235JR, cujas propriedades são [31]:
Tensão de cedência: 𝑆𝑦 = 235 𝑀𝑃𝑎;
Tensão de rutura: 𝑆𝑢 = 360 𝑀𝑃𝑎;
Módulo de elasticidade: 𝐸 = 210 𝐺𝑃𝑎;
Massa volúmica: 𝜌 = 7800 𝑘𝑔 𝑚3⁄ .
Figura 40: Estrutura de suporte
49
A estrutura apresenta uma altura total de 4205 mm, estando em conformidade com os
constrangimentos mencionados.
Cada suspensão do caminho de rolamento é montada de modo a que o seu centro esteja a
200 mm do pilar correspondente, permitindo à viga da ponte rolante ser deslocada sem colidir com os
mesmos, uma vez que a viga da ponte rolante tem uma saliência de 100 mm em relação a cada viga
do caminho de rolamento, devido ao seu comprimento ser superior à distância entre as mesmas,
(𝑙𝐻𝑇−𝑙𝐾𝑟)
2=
(3200−3000)
2= 100 𝑚𝑚.
Uma vez que as suspensões do caminho de rolamento não necessitam estar alinhadas, devido
à flexibilidade do sistema KBK, concluiu-se (de modo a satisfazer os requisitos e constrangimentos de
projeto, assim como tendo em consideração a configuração da área de trabalho e os valores definidos
para a distância entre suspensões) que as estruturas de suporte da viga do caminho de rolamento
próxima dos armários serão instaladas de modo a que distem entre si 7760 mm e que as estruturas da
outra viga distem entre si 6100 mm.
6.4 Manipulador proposto
Após o desenvolvimento do conceito selecionado, representa-se na figura 41 a solução
proposta para o manipulador de dispositivos de fixação, modelado no software SOLIDWORKS 2018.
Figura 41: Representação: a) manipulador proposto, b) instalação na área de trabalho
O manipulador é constituído por um diferencial elétrico de corrente com gancho (1), pelo seu
mecanismo de translação (2), por uma viga da ponte rolante (3), por dois mecanismos de translação
da viga da ponte rolante (4), por duas vigas do caminho de rolamento (5), por quatro suspensões do
caminho de rolamento (6) e por quatro estruturas de suporte (7), como representado na figura 42.
50
Figura 42: Constituição do manipulador proposto
A instalação tem 4205 mm de altura, o diferencial elétrico opera numa área de 8000 mm de
comprimento por 3200 mm de largura e o gancho na posição mais recolhida encontra-se a 3185 mm
de altura, cumprindo os requisitos e constrangimentos de projeto establecidos.
O peso total da instalação é de aproximadamente 770 kg, sendo que a ponte rolante suspensa
e o diferencial elétrico combinados apenas pesam 348 kg.
Por fim, é importante mencionar que não se verificou a necessidade de implementar ou
desenvolver qualquer tipo de mecanismo de extração de prateleiras, o que face ao conceito inicial
permitiu reduzir custos.
6.5 Estimativa de custos
Os custos associados ao manipulador proposto estão relacionados com a aquisição, produção
e instalação dos componentes envolvidos, nomeadamente do diferencial elétrico, da ponte rolante
suspensa KBK e das estruturas de suporte.
51
Os valores do diferencial elétrico e da ponte rolante suspensa KBK foram obtidos através do
representante da empresa Demag® em Portugal, sendo que os mesmos incluem todos os componentes
necessários ao seu funcionamento, bem como toda a montagem e transporte.
Para as estruturas de suporte seguiu-se a metodologia adotada por Arrais [32] e Gameiro [33],
na qual se consideram as estimativas de custos e tempos de fabrico da empresa EMEF:
Tempo de fabrico: 70 h/ton;
Matéria-prima (Aço estrutural): 0,6 €/kg;
Transformação da matéria-prima: 1 €/kg;
Custo de montagem: 31,5 €/h.
As estruturas de suporte são constituídas pelos elementos designados por placa base, pilar e
forca, com 2,34 kg, 89,60 kg e 13,44 kg, respetivamente, cujo preço unitário corresponde a 8,90 €,
340,93 € e 51,14 €. Assim, cada estrutura de suporte tem um custo aproximado de 400,97 €.
Na tabela 8 apresenta-se a estimativa de custos do manipulador proposto.
Tabela 8: Estimativa de custos do manipulador proposto
Equipamento Preço unitário Quantidade Total Parcial
Diferencial elétrico 1 314,00 € 1 1 314,00 €
Ponte rolante suspensa KBK 6 373,00 € 1 6 373,00 €
Estrutura de suporte 400,97 € 4 1 603,88 €
Total 9 290,88 €
52
53
7. Notas de cálculo
Neste capítulo apresentam-se os elementos utilizados para a seleção dos componentes e os
cálculos referentes ao projeto da solução proposta, desde a seleção do diferencial elétrico ao
dimensionamento e verificação das estruturas de suporte.
7.1 Coeficiente de segurança do projeto
Em engenharia, os projetos estão normalmente associados a incertezas relacionadas com a
obtenção de resultados, devido a diversos fatores, tais como a qualidade dos materiais envolvidos, a
capacidade de definir e controlar os carregamentos aplicados e os riscos, relacionados com a
segurança dos trabalhadores e o com impacto económico em caso de falha. Se não forem tidas em
conta, estas incertezas podem comprometer a fiabilidade dos projetos. De modo a prevenir eventuais
problemas, é geralmente definido um coeficiente de segurança que contenha a informação sobre as
incertezas referidas. Dos vários métodos existentes para a sua obtenção, utilizou-se o método de
Pugsley, que define o coeficiente de segurança através do produto de dois fatores, obtidos a partir de
duas tabelas [34]:
𝑛𝑝 = 𝑛𝑝1 × 𝑛𝑝2 (2)
Onde:
𝑛𝑝 = Coeficiente de segurança do projeto;
𝑛𝑝1 = 𝑓(𝐴, 𝐵, 𝐶);
𝑛𝑝2 = 𝑓(𝐷, 𝐸);
A: Característica relacionada com a qualidade dos materiais envolvidos, a manutenção, a inspeção e a
mão de obra, à qual se atribuiu a classificação “muito boa”;
B: Característica relacionada com a capacidade de controlar a carga aplicada, à qual se atribuiu a
classificação “muito boa”;
C: Característica relacionada com a precisão dos dados experimentais ou com a experiência em
estruturas semelhantes, à qual se atribuiu a classificação “muito boa”;
D: Característica relacionada com o perigo para os utilizadores em caso de falha, à qual se atribuiu a
classificação “muito séria”;
E: Característica relacionada com o impacto económico em caso de falha, à qual se atribuiu a
classificação “pouco séria”.
Assim, pelo método de Pugsley, o coeficiente de segurança do projeto é:
𝑛𝑝 = 1,1 × 1,4 = 1,54 (3)
54
7.2 Seleção do diferencial elétrico de corrente
7.2.1 Diferencial elétrico
Tal como referido anteriormente, a seleção do diferencial elétrico de corrente baseou-se na
análise de uma tabela de seleção (tabela 9), cuja capacidade de carga e velocidade de elevação são
os principais parâmetros de seleção.
Tabela 9: Tabela de seleção dos diferenciais elétricos DC-Pro [28]
Através da análise da tabela 9, selecionou-se a capacidade de carga de 80 kg, por ser a mais
próxima do dispositivo de fixação com maior massa (26kg). Quanto aos restantes parâmetros, optou-
se sempre por escolher o equipamento com menor velocidade de elevação. Assim selecionou-se o
equipamento com as velocidades de elevação 2 e 8 m/min, a uma frequência de 50 Hz.
Por fim com os dois parâmetros definidos, selecionou-se a gama do diferencial, a partir da
tabela 10.
55
Tabela 10: Comparação da gama dos diferenciais [28]
A partir da tabela 10, as gamas que suscitaram maior interesse foram a DC-Pro, a DCM-Pro e
a DC-Com, por apresentarem os mecanismos mais simples, tendo-se selecionado a gama DC-Pro,
cuja seleção mais tarde foi confirmada através software Demag Designer®. Assim, o diferencial elétrico
selecionado apresenta a seguinte designação: DC-Pro 1-80 1/1 H5 V8/2 380-415/50.
7.2.2 Corrente
Tal como referido na secção 6.3.1.3, as correntes utilizadas nos diferenciais elétricos são
correntes de secção circular em aço, cujas propriedades e características se encontram representadas
na tabela 11. Após analisar a tabela selecionou-se, para o diferencial escolhido, a corrente Demag
RDC/TDK standard chain DC 1 – 2, uma vez que é a corrente padrão da marca e que as suas
características correspondem às características do diferencial elétrico selecionado.
Tabela 11: Tabela de seleção de correntes para os diferenciais elétricos e suas propriedades [28]
56
7.2.3 Mecanismo de translação
O mecanismo de translação é responsável pela ligação e deslocação do diferencial elétrico em
relação à viga da ponte rolante, tal como referido anteriormente.
A seleção do mesmo foi efetuada através da análise da tabela 12.
Tabela 12: Características dos mecanismos de translação [29]
Mecanismo de
translação
Capacidade de
carga (kg) Massa (kg)
KBK 100 100 0,70
KBK I 300 0,75
KBK II-L, II 600 1,90
Considerou-se que o mecanismo de translação deverá suportar a capacidade de carga máxima
do diferencial (80 kg) e a massa do mesmo (22 kg) [28], pelo que se selecionou o mecanismo de
translação KBK I.
A conexão entre os diferenciais elétricos e os mecanismos de translação é efetuada através
dos suportes apresentados na figura 43.
Figura 43: Dimensões dos suportes (mm) [28]
A partir da análise da tabela 13, foi possível observar dois suportes compatíveis com o
diferencial elétrico selecionado, sendo que se selecionou o suporte mais pequeno, suporte 2, uma vez
que permite manipular os dispositivos de fixação de forma mais precisa e com menos oscilações.
Tabela 13: Legenda da figura 43 [28]
Item Designação Gama do
diferencial
1 Suporte longo DC 1 – 5
2 Suporte curto (opcional)
3 Suporte longo DC 10
4 Suporte curto (opcional)
5 Suporte DC 15 – 25
57
7.3 Ponte rolante suspensa KBK
7.3.1 Seleção dos perfis KBK
A seleção dos perfis KBK para as vigas da ponte rolante suspensa começou pela definição dos
seguintes parâmetros, tal como referido anteriormente.
Carga total suportada pela ponte rolante: Este valor foi calculado a partir da soma da massa
máxima admissível a elevar pelo diferencial elétrico e da massa do mesmo incluindo o mecanismo de
translação, através da expressão [25]:
𝐾 = 𝐺𝐻 + 𝐺3 (4)
Onde:
𝐾 = Carga total suportada pela ponte rolante;
𝐺𝐻 = Massa máxima admissível a elevar pelo diferencial elétrico;
𝐺3 = Massa do diferencial elétrico e do mecanismo de translação.
A massa máxima admissível a elevar pelo diferencial é 𝐺𝐻 = 80 𝑘𝑔. Já a massa do diferencial
é 22 kg e a massa do mecanismo de translação é 0,75 kg (ver tabela 12).
Face ao exposto, a carga total suportada pela ponte rolante é: 𝐾 = 80 + (22 + 0,75) =
102,75 𝑘𝑔.
Comprimento das vigas do caminho de rolamento (𝒍𝑮) e da viga da ponte rolante (𝒍𝑯𝑻):
Definiu-se as dimensões das vigas do caminho de rolamento e da ponte rolante de modo a cumprir os
requisitos de projeto estabelecidos. Uma vez que se pretende que o diferencial elétrico abranja a área
de atuação de 8000 mm de comprimento por 3200 mm de largura, definiu-se 𝑙𝐺 = 8000 𝑚𝑚 para o
comprimento das vigas do caminho de rolamento e 𝑙𝐻𝑇 = 3200 𝑚𝑚 para o comprimento da viga da
ponte rolante.
Distância entre suspensões do caminho de rolamento (𝒍𝒘): Um dos parâmetros mais
relevantes no projeto de toda a estrutura é a distância entre suspensões do caminho de rolamento,
uma vez que ditará a posição das estruturas de suporte. Tal como referido nos constrangimentos do
projeto, só é possível instalar quatro estruturas de suporte, pelo que cada viga do caminho de rolamento
terá apenas duas suspensões. O valor exato deste parâmetro apenas será obtido posteriormente
através da utilização do software Demag Designer®, uma vez que permite a conceção precisa das
instalações KBK. Contudo, durante a análise do diagrama e das tabelas de seleção é importante
garantir que o perfil selecionado permita uma distância entre suspensões igual ou superior ao
comprimento das próprias vigas, de modo a assegurar a estabilidade da estrutura, uma vez que ainda
não se definiu o valor exato.
58
Distância entre as vigas do caminho de rolamento (𝒍𝑲𝒓): O valor desta distância dita a
distância entre os pontos onde a viga da ponte rolante será conectada às vigas do caminho de
rolamento. À semelhança da 𝑙𝑤, este parâmetro é importante, sendo necessário defini-lo para
selecionar o perfil da viga da ponte rolante. Porém ao contrário do valor da distância entre suspensões
do caminho de rolamento, este valor não necessita obrigatoriamente de ser obtido a partir do software
referido, pelo que pode ser determinado tal como os comprimentos das vigas, de modo a satisfazer as
necessidades pretendidas. Sendo assim, definiu-se a distância entre as vigas do caminho de rolamento
𝑙𝐾𝑟 = 3000 𝑚𝑚.
Uma vez definidos os parâmetros, procedeu-se à seleção dos perfis. A seleção dos mesmos
efetuou-se comparando os resultados obtidos na análise do diagrama de capacidade de carga dos
perfis, das tabelas de seleção e do software da marca.
Diagrama de capacidade de carga dos perfis: O primeiro elemento utilizado para selecionar
os perfis a utilizar encontra-se representado na figura 44. É de salientar que as curvas do diagrama
apenas podem ser analisadas se o diferencial elétrico apresentar velocidades de elevação inferiores a
16 m/s, estando assim em conformidade com o selecionado.
Figura 44: Diagrama de capacidade de carga dos perfis KBK [25]
Através dos valores de 𝑙𝑤 e 𝐾, foi possível selecionar para as vigas do caminho de rolamento
os perfis KBK II-L ou KBK II. Porém selecionou-se o perfil KBK II por ser a versão standard, visto que
o KBK II-L (low) é um perfil especial com uma secção mais baixa.
Da mesma forma, através dos valores de 𝑙𝐾𝑟 e 𝐾 foi possível selecionar os perfis KBK 100 e
KBK I para a viga da ponte rolante. No entanto selecionou-se o perfil KBK I, uma vez que não é
59
recomendado combinar o perfil KBK 100 com o KBK II, como se pode verificar na tabela 14, onde X é
recomendado, (X) é não recomendado e (–) é impossível.
Tabela 14: Compatibilidade dos perfis da ponte rolante e do caminho de rolamento [25]
Ponte rolante
Caminho de rolamento
KBK 100 KBK I KBK II-L KBK II KBK II-H KBK III
KBK 100 X
X
(X) (X)
(X) -
KBK I
X KBK II-L
(X) X
(X)
KBK II X
X KBK II-H
KBK III - - (X) -
Tabelas de seleção: Recorreu-se à análise das tabelas de seleção como o segundo elemento
de seleção dos perfis. É de notar que as tabelas apenas ilustram algumas combinações possíveis de
instalações [25]. A tabela 15 apresenta a tabela de seleção que mais se aproxima dos parâmetros
definidos.
Tabela 15: Valores para seleção de perfis com K=80kg (dimensões em m) [25]
Embora a tabela 15 não apresente os valores exatos, que foram definidos e calculados, foi
possível ter a perceção de que os perfis escolhidos correspondem ao pretendido. Ora analisou-se a
viga da ponte rolante com perfil KBK I e comprimento 𝑙𝐻𝑇 = 3 𝑚, visto ser o valor que mais se aproxima
dos 3200 mm definidos, tendo-se verificado que para as vigas do caminho de rolamento com perfil KBK
II o valor máximo da distância entre suspensões é 𝑙𝑤 = 9 𝑚, valor superior ao valor definido para o
comprimento das vigas (8000 mm), cumprindo assim o que foi estabelecido e confirmando a seleção
dos perfis.
60
Software Demag Designer®: Após selecionar os perfis com base no diagrama e nas tabelas
de seleção, recorreu-se ao software disponibilizado pela marca, que se apresenta como a ferramenta
mais precisa de seleção e conceção de instalações e infraestruturas, apresentando uma vasta gama
de funções, desde a seleção de motores elétricos para mecanismos de translação ao projeto de gruas
e de pontes rolantes suspensas KBK.
Após selecionar a opção Suspension cranes KBK e Expert project engineering, o primeiro
passo incidiu sobre a introdução do número de pontes rolantes e das condições de serviço,
nomeadamente da tensão de alimentação, da frequência e do tipo de distribuição de energia elétrica.
A figura 45 apresenta os valores inseridos.
Figura 45: Demag Designer® – Primeiro passo
O segundo passo incidiu sobre a introdução do comprimento, da deflexão máxima admissível
e do tipo de material pretendido para as vigas do caminho de rolamento. Os restantes parâmetros não
foram introduzidos para não condicionar os resultados gerados. Ainda se optou por escolher
comprimento do cabo de alimentação que estava predefinido. A figura 46 apresenta os valores
inseridos.
Figura 46: Demag Designer® - Segundo passo
61
O terceiro passo incidiu sobre a introdução da massa máxima admissível a elevar (𝐺𝐻), da
distância entre o centro das vigas do caminho de rolamento (𝑙𝐾𝑟), da deflexão máxima da viga da ponte
rolante e do seu material.
Assim que se inseriu este valor e a deflexão máxima, o programa atualizou automaticamente o
campo do diferencial elétrico com a respetiva informação e confirmou-se a sua seleção, uma vez que
é exatamente igual ao diferencial selecionado anteriormente. Optou-se ainda por não selecionar o perfil
de modo a não condicionar os resultados do programa. A figura 47 apresenta os valores inseridos e a
informação atualizada do diferencial.
Figura 47: Demag Designer® - Terceiro passo
Após estes três passos, o software gerou os resultados apresentados na figura 48, na qual se
pode observar que o perfil recomendado para a viga da ponte rolante é o KBK I. No que diz respeito às
vigas do caminho de rolamento, o programa recomenda cinco perfis. Pelos valores da distância entre
suspensões (𝑙𝑤), excluiu-se as duas primeiras recomendações, uma vez que no caso de se selecionar
o perfil KBK 100 seriam necessárias mais de duas suspensões por viga e no caso de se optar pelo
perfil KBK I as bases da estrutura teriam de ser instaladas à frente dos armários, restando apenas os
perfis KBK II-L, KBK II e KBK II-H. Como todos apresentam valores de 𝑙𝑤 semelhantes, confirmou-se a
decisão tomada e selecionou-se o perfil standard KBK II, obtendo-se o valor para a distância entre
suspensões do caminho de rolamento 𝑙𝑤 = 7760 𝑚𝑚.
Figura 48: Demag Designer® – Perfis recomendados
62
7.3.2 Alimentação elétrica
O número de sapatas deslizantes, responsáveis pela deslocação do cabo de alimentação na
calha técnica, está relacionado com as dimensões do caminho de rolamento, da ponte rolante e da
flecha do cabo, através da expressão [25]:
𝑛𝑠𝑎𝑝 =𝑙𝐺 + 𝑙𝐻𝑇ℎ𝑠𝑎𝑔 × 2
− 1 (5)
Onde:
𝑛𝑠𝑎𝑝 = Número de sapatas deslizantes;
ℎ𝑠𝑎𝑔 = Flecha do cabo.
O valor da flecha do cabo de ℎ𝑠𝑎𝑔 = 1000𝑚𝑚 foi obtido através da utilização do software.
Assim, o número de sapatas deslizantes é:
𝑛𝑠𝑎𝑝 =8000 + 3200
1000 × 2− 1 ≅ 5 𝑠𝑎𝑝𝑎𝑡𝑎𝑠 (6)
O comprimento total do cabo é calculado a partir do comprimento do caminho de rolamento, da
ponte rolante e do comprimento da alimentação, através da expressão [25]:
𝑙𝐶 = [(𝑙𝐺 + 𝑙𝐻𝑇) × 1.2] + 𝑙𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑦 (7)
Onde:
𝑙𝐶 = Comprimento total do cabo;
𝑙𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑦 = Comprimento da alimentação.
O comprimento da alimentação é a menor distância desde a instalação KBK até à fonte de
alimentação. Este valor é meramente especulativo, pelo que se estimou e definiu, 𝑙𝑠𝑢𝑝𝑝𝑙𝑦 = 2000 𝑚𝑚.
Por fim, o comprimento total do cabo é:
𝑙𝐶 = [(8000 + 3200) × 1.2] + 2000 ≅ 15500 𝑚𝑚 (8)
7.4 Estrutura de suporte
A ponte rolante KBK é suspensa através de quatro suspensões acopladas a quatro estruturas
de suporte, tal como referido anteriormente. Assume-se que cada suspensão, embora tenha quatro
pontos de apoio, provoque uma carga vertical no seu centro de massa.
Os cálculos de verificação das ligações das estruturas de suporte serão efetuados
considerando a carga máxima que pode ocorrer numa das suspensões, tendo em conta o peso da
ponte rolante, o peso do diferencial elétrico e a carga máxima que o mesmo pode suportar, uma vez
63
que é expectável garantir o cumprimento de todas as especificações do material na eventualidade de
se desmontar toda a instalação e instalá-la noutro local.
O valor da carga máxima foi determinado recorrendo ao software Demag Designer®, tendo-se
obtido o valor de 188 kgf.
Para a verificação das ligações estudaram-se dois tipos de carregamento (figura 49):
1. Considerando apenas a força vertical 𝐹 = 188 𝑘𝑔𝑓 = 1844,3 𝑁;
2. Considerando a força 𝐹 e uma perturbação transversal de aproximadamente 10%,
𝐹𝑝𝑒𝑟 = 10% × 𝐹 ≅ 185 𝑁.
Figura 49: Representação dos carregamentos estudados na estrutura de suporte e respetivas dimensões (mm)
7.4.1 Ligações soldadas
Esta secção dedica-se à verificação das ligações soldadas da estrutura de suporte pelo código
AISC (American Institute of Steel Construction), que estabelece o valor de 40 % da tensão de cedência
do material como o valor máximo para a tensão admissível da junta [27]:
𝜏𝑎𝑑𝑚 = 0,4 × 𝑆𝑦 = 0,4 × 235 = 94 𝑀𝑃𝑎 (9)
Na figura 50 encontram-se representadas as juntas soldadas, designadas por JS, da estrutura
de suporte.
Figura 50: Representação das juntas soldadas da estrutura de suporte
64
Carregamento 1: Neste carregamento, a estrutura é sujeita a uma força vertical, que irá provocar nas
duas juntas soldadas os mesmos esforços. Uma vez que são ambas iguais, quer em geometria, quer
na altura do cordão de soldadura de ℎ = 5 𝑚𝑚, a verificação será efetuada para apenas uma das juntas.
Na figura 51 apresenta-se a junta soldada 1 (JS1) e a respetiva figura de cordões com as suas
dimensões. Os pontos 1, 2, 3 e 4 são os pontos notáveis considerados.
Figura 51: Representação da junta soldada 1 e da respetiva figura de cordões (dimensões em mm)
A força 𝐹 provoca na junta soldada uma força de compressão e um momento fletor, 𝑁 e 𝑀,
respetivamente, que por sua vez dão origem a uma tensão de corte direta e uma tensão de corte
indireta, 𝜏𝑁′ e 𝜏𝑀
′′ , tal como representado na figura 52.
Figura 52: Representação dos esforços e tensões de corte provocados pelo carregamento 1
𝑁 = 𝐹 = 1844,3 𝑁 (10)
𝑀 = 𝐹 × 𝑎 = 1844,3 × (0,2 +0,2
2) = 553,3 𝑁𝑚 (11)
A tensão de corte direta, 𝜏𝑁′ , é calculada através do quociente entre 𝑁 e a área de garganta da
junta soldada, 𝐴, cujo cálculo é efetuado através da expressão da tabela 9-1 do livro de Budynas e
Nisbett [27]:
𝐴 = 𝐴′′ + 𝐴= = 1,414 × ℎ × 𝑑 + 1,414 × ℎ × 𝑏 = 1,414 × 0,005 × (0,159 + 0,100) = 1,83 × 10−3 𝑚2 (12)
𝜏𝑁′ =
𝑁
𝐴=
1844,3
1,83 × 10−3= 1,01 𝑀𝑃𝑎 (13)
65
Para o cálculo da tensão de corte indireta, 𝜏𝑀′′ , é necessário calcular o momento de inércia da
junta, 𝐼, recorrendo à tabela 9.2 do livro referido anteriormente:
𝐼𝑢 = 𝐼𝑢′′ + 𝐼𝑢= =𝑑3
6+𝑏𝑑2
2=0,1593
6+0,1 × 0,22
2= 2,67 × 10−3 𝑚3 (14)
𝐼 = 0,707 × ℎ × 𝐼𝑢 = 0,707 × 0,005 × 2,67 × 10−3 = 9,44 × 10−6 𝑚4 (15)
𝜏𝑀′′ =
𝑀 × 𝑐
𝐼=553,3 × (0,2 2⁄ )
9,44 × 10−6= 5,86 𝑀𝑃𝑎 (16)
Após determinadas as tensões de corte direta e indireta, a tensão resultante é calculada para
os pontos críticos, assim como o coeficiente de segurança correspondente. Neste caso, os pontos
críticos são os pontos 3 e 4, apresentando a mesma tensão resultante.
𝜏𝑟𝑒𝑠 = 𝜏𝑁′ + 𝜏𝑀
′′ = 1,01 + 5,86 = 6,87 𝑀𝑃𝑎 < 𝜏𝑎𝑑𝑚 (17)
𝑛𝐽𝑆 =0,577 × 𝑆𝑦
𝜏𝑟𝑒𝑠=0,577 × 235
6,87= 19,74 > 𝑛𝑝 (18)
Carregamento 2: Neste carregamento, além da força vertical 𝐹, considera-se que a estrutura é sujeita
a uma perturbação de aproximadamente 10% de 𝐹, designada por 𝐹𝑝𝑒𝑟. Neste caso as duas juntas
soldadas terão esforços diferentes, uma vez que a perturbação irá causar um momento fletor na JS2
que não ocorrerá na JS1. Por este motivo, a verificação será efetuada separadamente para as duas
juntas.
Junta soldada 1 (JS1): Devido a 𝐹, a JS1 está sujeita aos esforços 𝑁 e 𝑀, calculados anteriormente.
A perturbação considerada provoca na junta esforço transverso e momento torsor, 𝑉 e 𝑇,
respetivamente, que por sua vez originam as tensões de corte direta 𝜏𝑉′ e indireta 𝜏𝑇
′′, tal como
representado na figura 53.
Figura 53: Representação dos esforços e tensões de corte provocados pelo carregamento 2 na JS1
Por observação direta, é possível concluir que os pontos 3 e 4 são os pontos críticos, estando
sujeitos aos mesmos esforços e resultantes.
66
𝑉 = 𝐹𝑝𝑒𝑟 = 185 𝑁 (19)
𝜏𝑉′ =
𝑉
𝐴=
185
1,83 × 10−3= 0,101 𝑀𝑃𝑎 (20)
𝑇 = 𝐹𝑝𝑒𝑟 × 𝑎 = 185 × (0,2 +0,2
2) = 55,5 𝑁𝑚 (21)
Para calcular a tensão de corte indireta é necessário calcular a distância, 𝑟, dos pontos ao
centroide e o momento polar de inércia do cordão, 𝐽, cuja expressão se encontra na tabela 9-1 do livro
de Budynas e Nisbett [27]:
𝐽𝑢 = 𝐽𝑢′′ + 𝐽𝑢= =𝑑1(3𝑏1
2 + 𝑑12)
6+𝑑2(3𝑏2
2 + 𝑑22)
6(22)
𝐽𝑢 =0,159 × (3 × 0,00562 + 0,1592)
6+0,1 × (3 × 0,22 + 0,12)
6= 2,84 × 10−3 𝑚3 (23)
𝐽 = 0,707 × 0,005 × 2,84 × 10−3 = 1,004 × 10−5 𝑚4 (24)
𝑟 = √1002 + 502 = 111,8 𝑚𝑚 = 0,1118𝑚 (25)
Assim:
𝜏𝑇′′ =
𝑇 × 𝑟
𝐽=55,5 × 0,1118
1,004 × 10−5= 0,618 𝑀𝑃𝑎 (26)
O cálculo da resultante das tensões divide-se no cálculo da resultante do plano vertical, onde
se encontram as tensões 𝜏𝑁′ e 𝜏𝑀
′′ , já calculadas anteriormente [ver (17)] e no cálculo da resultante do
plano horizontal, onde se encontram-se as tensões 𝜏𝑉′ e 𝜏𝑇
′′, através da expressão:
𝜏𝑟𝑒𝑠ℎ = √𝜏𝑉′ 2 + 𝜏𝑇
′′2 + 2 × 𝜏𝑉′ × 𝜏𝑇
′′ × cos(𝜏𝑉′ ; 𝜏𝑇
′′) (27)
cos(𝜏𝑉′ ; 𝜏𝑇
′′) =100
𝑟=
100
111,8= 0,8944 (28)
𝜏𝑟𝑒𝑠ℎ = √0,1012 + 0,6182 + 2 × 0,101 × 0,618 × 0,8944 = 0,71 𝑀𝑃𝑎 (29)
Assim a tensão resultante no ponto crítico do cordão de soldadura e o respetivo coeficiente de
segurança são, respetivamente:
𝜏𝑟𝑒𝑠 = √𝜏𝑟𝑒𝑠𝑣2 + 𝜏𝑟𝑒𝑠ℎ
2 = √6,872 + 0,712 = 6,9 𝑀𝑃𝑎 < 𝜏𝑎𝑑𝑚 (30)
𝑛𝐽𝑆1 =0,577 × 235
6,9= 19,6 > 𝑛𝑝 (31)
67
Junta soldada 2 (JS2): Para além dos esforços calculados para a JS1, a JS2 está sujeita a um
momento fletor causado pela força de perturbação, designado por 𝑀𝑝, que provoca a tensão de corte
indireta 𝜏𝑀𝑝′′ , cuja representação se encontra na figura 54.
Figura 54: Representação dos esforços provocados pelo carregamento 2 na JS2 e da tensão de corte indireta 𝜏′′Mp
Por observação direta, é possível concluir que o ponto 3 é o crítico. De acordo com a figura 49,
ℎ𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟 = 4 𝑚, pelo que à semelhança dos cálculos efetuados anteriormente, apresentam-se os cálculos
da tensão 𝜏𝑀𝑝′′ :
𝑀𝑝 = 𝐹𝑝𝑒𝑟 × ℎ𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟 = 185 × 4 = 740 𝑁𝑚 (32)
𝐼𝑢 = 𝐼𝑢′′ + 𝐼𝑢= =𝑑3
6+𝑏𝑑2
2=0,13
6+0,159 × 0,00562
2= 1,69 × 10−4 𝑚3 (33)
𝐼 = 0,707 × ℎ × 𝐼𝑢 = 0,707 × 0,005 × 1,69 × 10−4 = 5,98 × 10−7 𝑚4 (34)
𝜏𝑀𝑝′′ =
𝑀𝑝 × 𝑐
𝐼=740 × (0,1 2⁄ )
5,98 × 10−7= 61,87 𝑀𝑃𝑎 (35)
𝜏𝑟𝑒𝑠𝑣 = 𝜏𝑁′ + 𝜏𝑀
′′ + 𝜏𝑀𝑝′′ = 1,01 + 5,86 + 61,87 = 68,74 𝑀𝑃𝑎 (36)
Assim a tensão resultante no cordão de soldadura e o respetivo coeficiente de segurança são,
respetivamente:
𝜏𝑟𝑒𝑠 = √𝜏𝑟𝑒𝑠𝑣2 + 𝜏𝑟𝑒𝑠ℎ
2 = √68,742 + 0,712 = 68,75 𝑀𝑃𝑎 < 𝜏𝑎𝑑𝑚 (37)
𝑛𝐽𝑆2 =0,577 × 235
68,75= 1,97 > 𝑛𝑝 (38)
7.4.2 Ligação aparafusada
Esta secção dedica-se à verificação da ligação aparafusada entre a placa base da estrutura de
suporte e o chão. Tal como referido anteriormente, a ligação é efetuada através de 4 parafusos (𝑁𝑝)
M10 com classe de resistência 8.8, de cabeça sextavada, 4 anilhas regulares M10 e 4 buchas
metálicas.
A figura 55 representa a configuração da ligação e as suas dimensões, sem as buchas
metálicas, sendo que os números 1, 2, 3 e 4 representam os parafusos.
68
Figura 55: Representação da ligação aparafusada e respetivas dimensões (mm)
À semelhança das ligações soldadas, a ligação aparafusada é verificada para os dois tipos de
carregamento referidos.
Carregamento 1: A força 𝐹 dá origem a uma força de compressão e um momento fletor, 𝑁 e 𝑀, com
os mesmos valores calculados na secção anterior. Transferindo estas cargas para o plano de ligação
é possível determinar os esforços em cada elemento (figura 56). A força 𝑁 provoca a força direta 𝐹𝑁′ ,
igual em todos os parafusos, enquanto o momento fletor origina a força indireta 𝐹𝑀′′.
Figura 56: Representação dos esforços provocados pelo carregamento 1 na ligação aparafusada
Considerando 𝑁 = 1844,3 𝑁 [ver (10)]:
𝐹𝑁′ =
𝑁
𝑁𝑝=1844,3
4= 461,1 𝑁 (39)
Assumindo a pior situação, com placa base rígida, considera-se que 𝑀 tende a produzir uma
rotação em torno da linha de charneira (representada a traço interrompido na figura 56), sendo as forças
axiais nos parafusos [27]:
𝐹𝑖𝑀′′ =
𝑀 × 𝑠𝑖∑𝑠𝑖
2(40)
Onde 𝑀 = 553,3 𝑁𝑚 [ver (11)].
69
{𝑠1 = 𝑠2 = 275 𝑚𝑚𝑠3 = 𝑠4 = 25 𝑚𝑚
(41)
{
𝐹1,2𝑀′′ =
553,3 × 0,275
2 × 0,2752 + 2 × 0,0252= 997,75 𝑁
𝐹3,4𝑀′′ =
553,3 × 0,025
2 × 0,2752 + 2 × 0,0252= 90,7 𝑁
(42)
Após calculadas as forças diretas e indiretas, determina-se a resultante normal à ligação (𝑃),
para os elementos 1 e 2, identificados como críticos e sujeitos às mesmas cargas:
𝑃1,2 = 𝐹1,2𝑀′′ − 𝐹1,2𝑁
′ = 997,75 − 461,1 = 536,65 𝑁 (43)
Carregamento 2: Neste caso, além dos esforços resultantes da aplicação da força 𝐹, a perturbação
𝐹𝑝𝑒𝑟 provoca esforço transverso, 𝑉, momento fletor, 𝑀𝑝, e momento torsor, 𝑇, que por sua vez provocam
a força direta 𝐹𝑉′ e as forças indiretas 𝐹𝑀𝑝
′′ e 𝐹𝑇′′, como representado na figura 57.
Figura 57: Representação dos esforços provocados pelo carregamento 2 na ligação aparafusada
𝑉 = 𝐹𝑝𝑒𝑟 = 185 𝑁 (44)
𝐹𝑉′ =
𝑉
𝑁𝑝=185
4= 46,25 𝑁 (45)
𝑀𝑝 = 𝐹𝑝𝑒𝑟 × 4,0 = 185 × 4,0 = 740 𝑁𝑚 (46)
𝐹𝑖𝑀𝑝′′ =
𝑀𝑝 × 𝑠′𝑖
∑𝑠′𝑖2
(47)
{𝑠′1 = 𝑠′4 = 175 𝑚𝑚
𝑠′2 = 𝑠′3 = 25 𝑚𝑚(48)
70
{
𝐹1,4𝑀𝑝′′ =
740 × 0,175
2 × 0,1752 + 2 × 0,0252= 2072 𝑁
𝐹2,3𝑀𝑝′′ =
740 × 0,025
2 × 0,1752 + 2 × 0,0252= 296 𝑁
(49)
𝑇 = 𝐹𝑝𝑒𝑟 × 𝑎 = 185 × (0,2 +0,2
2) = 55,5 𝑁𝑚 (50)
𝑟 = √1252 + 252 = 145,77 𝑚𝑚 (51)
𝐹𝑇′′ =
𝑇 × 𝑟
∑𝑟2=55,5 × 0,14577
4 × 0,145772= 95,2 𝑁 (52)
Após calcular todas as forças diretas e indiretas, procede-se à determinação da resultante
normal à ligação (𝑃) e da resultante no plano de ligação (𝑃𝑆), para todos os elementos, de modo a
identificar o elemento crítico.
{
𝑃1 = 𝐹1,4𝑀𝑝
′′ + 𝐹1,2𝑀′′ − 𝐹𝑁
′ = 2072 + 997,75 − 461,1 = 2608,65 𝑁
𝑃2 = 𝐹2,3𝑀𝑝′′ + 𝐹1,2𝑀
′′ − 𝐹𝑁′ = 296 + 997,75 − 461,1 = 832,65 𝑁
𝑃3 = 𝐹2,3𝑀𝑝′′ + 𝐹3,4𝑀
′′ − 𝐹𝑁′ = 296 + 90,7 − 461,1 = −74,4 𝑁
𝑃4 = 𝐹1,4𝑀𝑝′′ + 𝐹3,4𝑀
′′ − 𝐹𝑁′ = 2072 + 90,7 − 461,1 = 1701,6 𝑁
(53)
𝑃𝑆𝑖 = √𝐹𝑉′ 2 + 𝐹𝑇
′′2 + 2 × 𝐹𝑉′ × 𝐹𝑇
′′ × cos(𝛼𝑖) (54)
Para calcular a resultante no plano de ligação (𝑃𝑆) é necessário determinar o cosseno do ângulo
entre 𝐹𝑉′ e 𝐹𝑇
′′ para cada elemento, cos(𝛼𝑖). É de notar que cos(𝛼1) = cos(𝛼2) e que cos(𝛼3) = cos(𝛼4),
uma vez que 𝛼1 = 𝛼2 e 𝛼3 = 𝛼4. De seguida, apresenta-se, na figura 58, a representação do ângulo 𝛼3.
Figura 58: Representação do ângulo 𝛼3
cos(𝛼3) =125
𝑟=
125
145,77= 0,858 ⇔ 𝛼3 = 31° (55)
cos(𝛼1) = cos(𝛼3 + 90°) = cos(31° + 90°) = −0,515 (56)
{𝑃𝑆1 = 𝑃𝑆2 = √46,25
2 + 95,22 + 2 × 46,25 × 95,2 × (−0,515) = 81,65 𝑁
𝑃𝑆3 = 𝑃𝑆4 = √46,252 + 95,22 + 2 × 46,25 × 95,2 × 0,858 = 136,96 𝑁(57)
Após determinar os esforços resultantes dos carregamentos considerados, verifica-se a
segurança da ligação aparafusada segundo o catálogo de chumbadores da empresa INDEX [35],
adotando a sua nomenclatura.
71
Considera-se que na instalação dos chumbadores é criado um bloco de fundação para
ancoragem em betão C25, com espessura ℎ𝑏𝑙𝑜𝑐𝑜 = 300 𝑚𝑚 e uma distância mínima entre a bucha e a
aresta do bloco 𝑐 = 60 𝑚𝑚. As buchas M10 utilizadas têm uma altura efetiva de ℎ𝑒𝑓 = 60 𝑚𝑚 [35].
Para a verificar a ligação aos esforços axiais determinam-se os seguintes parâmetros
(pp. 22-27 de [35], ver figuras em anexo A-4 a A-12):
Resistência nominal do aço: 𝑁°𝑅𝑑 = 20900 𝑁;
Resistência nominal ao arrancamento (para betão não fissurado): 𝑁°𝑅𝑑,𝑝 = 10600 𝑁;
Resistência nominal do cone de compressão (para betão não fissurado): 𝑁°𝑅𝑑,𝑐 = 15600 𝑁;
Coeficiente de influência para o arrancamento: 𝛹𝑐 = 1,0;
Coeficiente de influência para o cone de compressão: 𝛹𝑏 = 1,0;
Coeficiente de influência do espaçamento (cone de compressão): 𝛹𝑠,𝑁 = 0,92;
Coeficiente de influência do espaçamento (separação do betão): 𝛹𝑠,𝑠𝑝 = 0,75;
Coeficiente de influência da distância à aresta do bloco: 𝛹𝑐,𝑠𝑝 = 0,57;
Coeficiente de influência da aresta do bloco (cone de compressão): 𝛹𝑐,𝑁 = 0,75;
Coeficiente de influência dos reforços: 𝛹𝑟𝑒,𝑁 = 1,0;
Coeficiente de influência da espessura (altura) do bloco: 𝛹ℎ,𝑠𝑝 = 1,5.
Os valores admissíveis da resistência do aço (𝑁𝑅𝑑,𝑠), da resistência ao arrancamento (𝑁𝑅𝑑,𝑝),
da resistência do cone de compressão (𝑁𝑅𝑑,𝑐) e da resistência à separação de betão (𝑁𝑅𝑑,𝑠𝑝), para os
esforços axiais, são calculados a partir das seguintes expressões (p. 22 de [35]):
𝑁𝑅𝑑,𝑠 = 𝑁°𝑅𝑑 = 20900 𝑁 (58)
𝑁𝑅𝑑,𝑝 = 𝑁°𝑅𝑑,𝑝 × 𝛹𝑐 = 10600 𝑁 (59)
𝑁𝑅𝑑,𝑐 = 𝑁°𝑅𝑑,𝑐 × 𝛹𝑏 × 𝛹𝑠,𝑁 × 𝛹𝑐,𝑁 × 𝛹𝑟𝑒,𝑁 = 10764 𝑁 (60)
𝑁𝑅𝑑,𝑠𝑝 = 𝑁°𝑅𝑑,𝑐 × 𝛹𝑏 × 𝛹𝑠,𝑠𝑝 × 𝛹𝑐,𝑠𝑝 × 𝛹𝑟𝑒,𝑁 × 𝛹ℎ,𝑠𝑝 = 10003,5 𝑁 (61)
Considerando, para o carregamento 1, a resultante normal à ligação 𝑃 = 536,65 𝑁 [ver 𝑃1,2 na
(43)]:
𝑛𝑅𝑑,𝑠1 =𝑁𝑅𝑑,𝑠𝑃
=20900
536,65= 39 > 𝑛𝑝 (62)
𝑛𝑅𝑑,𝑝1 =𝑁𝑅𝑑,𝑝
𝑃=10600
536,65= 19,75 > 𝑛𝑝 (63)
𝑛𝑅𝑑,𝑐1 =𝑁𝑅𝑑,𝑐𝑃
=10764
536,65= 20 > 𝑛𝑝 (64)
𝑛𝑅𝑑,𝑠𝑝1 =𝑁𝑅𝑑,𝑠𝑝
𝑃=10003,5
536,65= 18,64 > 𝑛𝑝 (65)
72
Considerando, para o carregamento 2, a resultante normal à ligação 𝑃 = 2608,65 𝑁 [ver 𝑃1 na
(53)]:
𝑛𝑅𝑑,𝑠2 =𝑁𝑅𝑑,𝑠𝑃
=20900
2608,65= 8 > 𝑛𝑝 (66)
𝑛𝑅𝑑,𝑝2 =𝑁𝑅𝑑,𝑝
𝑃=
10600
2608,65= 4 > 𝑛𝑝 (67)
𝑛𝑅𝑑,𝑐2 =𝑁𝑅𝑑,𝑐𝑃
=10764
2608,65= 4,13 > 𝑛𝑝 (68)
𝑛𝑅𝑑,𝑠𝑝2 =𝑁𝑅𝑑,𝑠𝑝
𝑃=10003,5
2608,65= 3,84 > 𝑛𝑝 (69)
Para a verificar a ligação aos esforços de corte determinam-se os seguintes parâmetros
(pp. 28-31 de [35], ver figuras em anexo A-13 a A-19):
Resistência do aço: 𝑉𝑅𝑑,𝑠 = 13900 𝑁;
Resistência nominal da aresta do betão (para betão não fissurado): 𝑉°𝑅𝑑,𝑐 = 8900 𝑁;
Coeficiente de influência do espaçamento: 𝛹𝑠𝑒,𝑉 = 1,0;
Coeficiente de influência da distância à aresta (𝑐 = 60 𝑚𝑚): 𝛹𝑐,𝑉 = 0,70;
Coeficiente de influência dos reforços, sem reforços perimétricos: 𝛹𝑟𝑒,𝑉 = 1,0;
Coeficiente de influência do ângulo de aplicação da carga (α ≈ 20°): 𝛹𝛼,𝑉 ≈ 1,05;
Coeficiente de influência da espessura (altura) do bloco: 𝛹ℎ,𝑉 = 1,0.
Os valores admissíveis da resistência do aço (𝑉𝑅𝑑,𝑠), da resistência ao arrancamento (𝑉𝑅𝑑,𝑐𝑝) e
da resistência do cone de compressão (𝑉𝑅𝑑,𝑐), para os esforços de corte, são calculados a partir das
seguintes expressões (p. 28 de [35]):
𝑉𝑅𝑑,𝑠 = 13900 𝑁 (70)
𝑉𝑅𝑑,𝑐𝑝 = 𝑘 × 𝑁°𝑅𝑑,𝑐 = 2 × 𝑁°𝑅𝑑,𝑐 = 31200 𝑁 (71)
𝑉𝑅𝑑,𝑐 = 𝑉°𝑅𝑑,𝑐 × 𝛹𝑏 × 𝛹𝑠𝑒,𝑉 × 𝛹𝑐,𝑉 × 𝛹𝑟𝑒,𝑉 × 𝛹𝛼,𝑉 × 𝛹ℎ,𝑉 = 6541,5 𝑁 (72)
Considerando a resultante no plano de ligação 𝑃𝑠 = 136,96 𝑁 [ver 𝑃𝑆3 = 𝑃𝑆4 na (57)]:
𝑛𝑅𝑑,𝑠 =𝑉𝑅𝑑,𝑠𝑃𝑠
=13900
136,96= 101,5 > 𝑛𝑝 (73)
𝑛𝑅𝑑,𝑐𝑝 =𝑉𝑅𝑑,𝑐𝑝
𝑃𝑠=31200
136,96= 227,8 > 𝑛𝑝 (74)
𝑛𝑅𝑑,𝑐 =𝑉𝑅𝑑,𝑐𝑃𝑠
=6541,5
136,96= 47,8 > 𝑛𝑝 (75)
73
8. Conclusões e desenvolvimento futuro
8.1 Conclusões
A presente dissertação focou-se no desenvolvimento e dimensionamento de um manipulador
para auxiliar os trabalhadores da equipa de Medições e Controlo Geométrico, da área da Qualidade,
da VW AE. O objetivo do manipulador centrou-se na manipulação e transporte dos dispositivos de
fixação, do interior dos armários industriais onde se encontram, até às paredes de fixação, onde serão
montados.
No início da dissertação analisou-se e identificou-se o processo mais crítico, que consistia em
retirar e transportar manualmente os dispositivos de fixação dos armários instalados no deck, onde se
concluiu, de acordo com a norma ISO 11228-1 [15], que a carga transportada pelos trabalhadores
ultrapassava o valor permitido.
Após identificar o problema, investigaram-se possíveis soluções existentes no mercado e as
medidas implementadas no departamento, com o objetivo de gerar diferentes conceitos de propostas
de solução, acabando por se selecionar, para ser desenvolvido, o conceito de ponte rolante com o
sistema modular KBK.
O projeto e desenvolvimento do manipulador permitiu gerar uma ponte rolante leve, de elevada
qualidade e resistência, que torna o processo de transporte dos dispositivos de fixação mais
ergonómico, apresentando um peso total de aproximadamente 770 kg, sendo que a ponte rolante
suspensa e o diferencial elétrico combinados apenas pesam 348 kg.
Após verificar a segurança da estrutura, ao projeto estático de resistência e rigidez, concluiu-
-se que através da utilização do manipulador, os trabalhadores estarão em conformidade com a carga
recomendada na norma referida, uma vez que, através dos mecanismos de translação da ponte rolante,
a resistência de translação é de 1,5% da carga transportada, reduzindo-se, assim, o risco de acidentes
de trabalho, cumprindo desta forma o objetivo da dissertação.
Por fim, o custo total estimado do manipulador proposto é de aproximadamente 9300,00 €.
74
8.2 Desenvolvimento futuro
Numa próxima fase de projeto, as estruturas de suporte do manipulador deverão ser estudadas
à fadiga, estimando assim a sua vida útil.
Para implementar o manipulador foi elaborada uma especificação, que deverá ser aprovada
pelos responsáveis do departamento financeiro, de modo a autorizarem a sua aquisição.
No futuro, poderá ser interessante analisar e desenvolver o segundo conceito apresentado para
os restantes armários do departamento, bem como estudar a possibilidade de implementar pontes
rolantes, semelhantes à desenvolvida, para as estações de medição, de modo a permitir aos
trabalhadores montar os dispositivos de fixação, provenientes desses armários, nas paredes de
fixação.
75
9. Referências
[1] National Safety Council. “Workplace Injuries.” nsc.org. https://www.nsc.org/work-safety/tools-
resources/infographics/workplace-injuries/ (Acedido em Maio de 2020).
[2] PORDATA. “Acidentes de trabalho: total e mortais.” pordata.pt.
https://www.pordata.pt/Portugal/Acidentes+de+trabalho+total+e+mortais-72/ (Acedido em Maio de
2020).
[3] Volkswagen AG. “Portrait & Production Plants.” volkswagenag.com.
https://www.volkswagenag.com/en/group/portrait-and-production-plants.html (Acedido em Outubro de
2019).
[4] VW Blogspot. “Volkswagen Ag Wolfsburg.” info-vw.blogspot.com. https://info-
vw.blogspot.com/2014/10/volkswagen-ag-wolfsburg.html (Acedido em Janeiro de 2020).
[5] Volkswagen Newsroom. “Volkswagen Autoeuropa Lda.” volkswagen-newsroom.com.
https://www.volkswagen-newsroom.com/en/press-releases/volkswagen-autoeuropa-lda-399/ (Acedido
em Outubro de 2019).
[6] Volkswagen AG. “Group Management Report - Group Quality Management.”
annualreport2018.volkswagenag.com. https://annualreport2018.volkswagenag.com/group-
management-report/sustainable-value-enhancement/group-quality-management.html (Acedido em
Outubro de 2019).
[7] Witte Barskamp. “ALUFIX: Modular Fixturing Systems: Main catalogue 2017/18.” witte-barskamp.de.
https://www.witte-barskamp.de/assets/downloads/Kataloge/Modulare-
Spannsysteme/ALUFIX/ALUFIX-2017-Gesamt-E.pdf (Acedido em Outubro de 2019).
[8] G. Price, “Cube route”, Automotive Manufacturing Solutions, 08 Julho 2017. [Online]. Disponível:
https://www.automotivemanufacturingsolutions.com/bodyshop/cube-route/35924.article/
[9] Shanghai Jiao Tong University. “National Engineering Research Center of Die and Mold CAD.”
en.sjtu.edu.cn. http://en.sjtu.edu.cn/research/centers-labs/national-engineering-research-center-of-die-
and-mold-cad (Acedido em Outubro de 2019).
[10] ZEISS. “Coordinate measuring machines: Horizontal Arm CMMs.” zeiss.com.
https://www.zeiss.com/metrology/products/systems/coordinate-measuring-machines/horizontal-arm-
cmms.html (Acedido em Outubro de 2019).
[11] GOM. “Metrology Systems: ATOS Industrial 3D Scanning Technology.” gom.com.
https://www.gom.com/metrology-systems.html (Acedido em Outubro de 2019).
[12] Weland Solutions. “Vertical storage lifts: Compact Lift.” welandsolutions.com.
http://www.welandsolutions.com/en-gb/compact_lift/ (Acedido em Outubro de 2019).
[13] Kardex Remstar. “Kardex Remstar Megamat RS.” kardex-remstar.pt. https://www.kardex-
remstar.pt/pt/produtos/carrocel-vertical-megamat.html (Acedido em Outubro de 2019).
[14] Zebicon. “Metrology Systems – FixBase.” zebicon.com. https://www.zebicon.com/en/metrology-
systems/accessories/witte-measuring-fixture/fixbase/ (Acedido em Janeiro de 2020).
76
[15] Ergonomics – Manual handling – Part 1: Lifting and carrying, ISO 11228-1, International
Organization for Standardization, Geneva, Switzerland, 2003.
[16] ZEISS. “Industrial Metrology: ZEISS CALENO.” zeiss.com.
https://www.zeiss.com/metrology/products/systems/coordinate-measuring-machines/horizontal-arm-
cmms/caleno.html (Acedido em Outubro de 2019).
[17] Hänel. “Hänel Lean-Lift® access point – intelligent storage.” hanel.us.
https://www.hanel.us/us/products/lean-lift/the-access-point/ (Acedido em Outubro de 2019).
[18] ABUS Crane Systems. “Single girder overhead travelling crane.” abuscranes.com.
https://www.abuscranes.com/cranes/overhead-travelling-cranes/single-girder-overhead-travelling-
crane/ (Acedido em Outubro de 2019).
[19] Manutan. “Grua de oficina.” manutan.pt. https://www.manutan.pt/pt/map/grua-de-oficina/ (Acedido
em Outubro de 2019).
[20] A. Lavrador, “Trabalhadores “robot” nas fábricas da VW”, Observador, 08 Julho 2018. [Online].
Disponível: https://observador.pt/2018/07/08/trabalhadores-robot-nas-fabricas-da-vw/
[21] “Ford pilots new exoskeleton technology to help lessen chance of worker fatigue, injury”, Ford Media
Center, 09 Novembro 2017. [Online]. Disponível:
https://media.ford.com/content/fordmedia/fna/us/en/news/2017/11/09/ford-exoskeleton-technology-
pilot.html
[22] Witte Barskamp. “Modular Fixturing Systems: Fixture Building – Fixtures & Jigs.” witte-
barskamp.com. https://www.witte-barskamp.com/modular-fixturing-systems/fixture-building/ (Acedido
em Outubro de 2019).
[23] Manutan. “Guincho de elevação e reboque – Capacidade de 100 kg.” manutan.pt.
https://www.manutan.pt/pt/map/guincho-de-elevacao-e-reboque-capacidade-de-100-kg/ (Acedido em
Dezembro de 2019).
[24] ABUS Crane Systems. “Electric Chain Hoists: ABUCompact GMC.” abuscranes.com.
https://www.abuscranes.com/hoists/electric-chain-hoists/abucompact-gmc/ (Acedido em Dezembro de
2019).
[25] Demag. “Technical data – Demag KBK light crane systems: Crane construction kit.”
demagcranes.com. https://www.demagcranes.com/en/products/kbk-light-crane-system/kbk-single-
girder-suspension-cranes (Acedido em Janeiro de 2020).
[26] K. T. Ulrich e S. D. Eppinger, Product Design and Development, New York, USA: MC-H, 2012.
[27] R. G. Budynas e J. K. Nisbett, Shigley’s mechanical engineering design, New York, USA: MG-H,
2015.
[28] Demag. “Technical data – DC Pro Chain hoist: Demag DC chain hoists.” demagcranes.com.
https://www.demagcranes.com/en/products/hoist-units/chain-hoists/dc-pro-chain-hoist (Acedido em
Janeiro de 2020).
[29] Demag. “Technical data/component parts.” demagcranes.com. http://www.demag-
doku.de/DDS/getPDF/20381444_EN_GB.pdf (Acedido em Janeiro de 2020).
77
[30] Grupo Ferpinta. “Perfis comerciais e chapas laminadas a quente.” ferpinta.pt.
http://www.ferpinta.pt/index.php?cat=34 (Acedido em Maio de 2020).
[31] OVAKO. “Steel Navigator - Material data sheet - Steel grade - S235JR.” ovako.com.
https://steelnavigator.ovako.com/steel-grades/s235/ (Acedido em Maio de 2020).
[32] J. C. F. Arrais, “Projeto de uma unidade móvel de recuperação de vidro”, Dissertação de Mestrado,
IST - UL, Lisboa, PT, 2019.
[33] G. G. Gameiro, “Projecto de um Banco de Ensaios do Conjunto Travessa de Carga/Travessa
Dançante”, Dissertação de Mestrado, IST - UTL, Lisboa, PT, 2011.
[34] S. R. Schmid, B. J. Hamrock e B. O. Jacobson, Fundamentals of Machine Elements, Florida, USA:
CRC Press, 2014.
[35] INDEX. “MT MECHANICAL ANCHORS Technical Guide.” indexfix.com.
https://www.indexfix.com/uploads/FOTECMT18/FOTECMTEN18.pdf (Acedido em Agosto de 2020).
78
79
A. Anexos – Elementos de apoio e desenhos técnicos
Grupo Ferpinta: Propriedades do perfil IPE 200
Figura A- 1: Propriedades do perfil IPE 200 (Grupo Ferpinta) [30]
80
Elementos de apoio às notas de cálculo das ligações soldadas
Figura A- 2: Propriedades das soldaduras de canto - momento polar de inércia [27]
81
Figura A- 3: Propriedades das soldaduras de canto - momento de inércia [27]
82
Elementos de apoio às notas de cálculo da ligação aparafusada
Figura A- 4: Valores de resistência dos esforços axiais para ligações aparafusadas com buchas metálicas - INDEX [35]
Figura A- 5: Coeficiente de influência para o arrancamento - INDEX [35]
Figura A- 6: Coeficiente de influência para o cone de compressão - INDEX [35]
83
Figura A- 7: Coeficiente de influência do espaçamento (cone de compressão) - INDEX [35]
Figura A- 8: Coeficiente de influência do espaçamento (separação do betão) - INDEX [35]
Nas figuras A-7 e A-8, 𝑠 = 150 𝑚𝑚 corresponde à distância mínima entre os parafusos.
84
Figura A- 9: Coeficiente de influência da distância à aresta do bloco - INDEX [35]
Figura A- 10: Coeficiente de influência da aresta do bloco (cone de compressão) - INDEX [35]
Nas figuras A-9 e A-10, 𝑠 = 𝑐 = 60 𝑚𝑚 corresponde à distância mínima entre a bucha metálica e a
aresta do bloco de ancoragem.
Figura A- 11: Coeficiente de influência dos reforços - INDEX [35]
Assumindo que não existe alta densidade de reforços: 𝛹𝑟𝑒,𝑁 = 1,0.
Figura A- 12: Coeficiente de influência da espessura (altura) do bloco - INDEX [35]
ℎ
ℎ𝑒𝑓=ℎ𝑏𝑙𝑜𝑐𝑜ℎ𝑒𝑓
=300
60= 5 > 3,68 (76)
85
Figura A- 13: Valores de resistência dos esforços de corte para ligações aparafusadas com buchas metálicas - INDEX [35]
Figura A- 14: Coeficiente de influência do espaçamento -INDEX [35]
𝑐
ℎ𝑒𝑓=60
60= 1 (77)
𝑠
𝑐=250
60= 4,17 > 3,0 (78)
Onde o valor de s corresponde à distância máxima entre parafusos, de acordo com o catálogo [35].
86
Figura A- 15: Coeficiente de influência da distância à aresta - INDEX [35]
Figura A- 16: Coeficiente de influência dos reforços - INDEX [35]
Figura A- 17: Coeficiente de influência do ângulo de aplicação da carga - INDEX [35]
A seleção do ângulo de aproximadamente 20º foi determinada a partir do ângulo de aplicação da carga 𝑃𝑆, representado na figura A-18.
Figura A- 18: Ângulo de aplicação da carga 𝑃𝑆
Figura A- 19: Coeficiente de influência da espessura (altura) do bloco - INDEX [35]
ℎ
𝑐=ℎ𝑏𝑙𝑜𝑐𝑜𝑐
=300
60= 5 > 1,5 (79)
8000
426
3
168
A
1
2
200
100
304
C
B
3
390
0
7960
6300
75
Detalhe AEscala 1 : 2
4
Detalhe CEscala 1 : 5
6
7
Detalhe BEscala 1 : 5
5
770 kg
ISO 2768-mK
ISO 1302:2002Pintura
Nº Designação Qde Norma Des. Nº Material Peso Obs.
1 Estrutura de suporte 4 81604_01 S235JR 105,50 kg
2 Viga do caminho de rolamento 2 S235 132 kg Perfil
KBK II3 Viga da ponte rolante 1 S235 17 kg Perfil
KBK I
4Mecanismo de
translação da viga da ponte rolante
2 1,90 kg
5 Suspensão do caminho de rolamento 4 10,20 kg
6Mecanismo de translação do
diferencial elétrico1 0,75 kg
7 Diferencial elétrico de corrente 1 22 kg
Manipulador (Desenho de conjunto)
Curso: MEMec
14/09/2020
Notas:
Peso:
Fabricou
Projectou
Verificou
Desenhou
DataRúbrica
Acabamentos:
Material:
Revisto:
A1Folha Folha
1
Nome: Diogo Mendes n.º 816041:20
Escala
Desenho n.º
Tolerância Geral:
81604
426
3
2
3
z5 159
z5 159
A
z5 100
z5 100
200
650
50
50
1
Detalhe AEscala 1 : 2
4
5
105,5kg
ISO 2768-mK
S235JR
ISO 1302:2002Pintura
Nº Designação Qde Norma Des. Nº Material Peso Obs.
1 Placa base 1 81604_01_01 S235JR 2,34 kg
2 Pilar 1 81604_01_02 S235JR 89,60 kg
3 Forca 1 81604_01_03 S235JR 13,44 kg
4Anilha plana regular M10
CR 8.84 ISO 7089
5Parafuso cabeça
sextavada M10 CR 8.8
4 ISO 4014 M10x65x65
Estrutura de suporte (subconjunto)
Curso: MEMec
14/09/2020
Notas:
Peso:
Fabricou
Projectou
Verificou
Desenhou
DataRúbrica
Acabamentos:
Material:
Revisto:
A3Folha Folha
1
Nome: Diogo Mendes n.º 816041:10
Escala
Desenho n.º
Tolerância Geral:
81604_01
200
300
25
25
4 x10
5
S235JR
2,34kg
ISO 2768-mK
ISO 1302:2002Pintura
Placa base
Curso: MEMec
14/09/2020
Notas:
Peso:
Fabricou
Projectou
Verificou
Desenhou
DataRúbrica
Acabamentos:
Material:
Revisto:
A4Folha Folha
1
Nome: Diogo Mendes n.º 816041:2Escala
Desenho n.º
Tolerância Geral:
81604_01_01
100
200
5,6
8,5
R12
4000
S235JR
89,6kg
ISO 2768-mK
ISO 1302:2002Pintura
81604_01_02
Tolerância Geral:
Desenho n.º
Escala
1:5Nome: Diogo Mendes n.º 81604
1FolhaFolha
A4Revisto:
Material:
Acabamentos:
Rúbrica Data
Desenhou
Verificou
Projectou
Fabricou
Peso:
Notas:
14/09/2020
Curso: MEMec
Pilar
100
200
5,6
8,5
R12
600
S235JR
13,44kg
ISO 2768-mKPintura
ISO 1302:2002 81604_01_03
Tolerância Geral:
Desenho n.º
Escala
1:5Nome: Diogo Mendes n.º 81604
1FolhaFolha
A4Revisto:
Material:
Acabamentos:
Rúbrica Data
Desenhou
Verificou
Projectou
Fabricou
Peso:
Notas:
14/09/2020
Curso: MEMec
Forca