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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
AUTOMAÇÃO DE PRENSA EXCÊNTRICA
Área de Automação
por
Giuliano Zeni Schionato
Ely Paiva Orientador
Campinas (SP), dezembro de 2007
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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
AUTOMAÇÃO DE PRENSA EXCÊNTRICA
Área de Automação
por
Giuliano Zeni Schionato Relatório apresentado à Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Elétrica para análise e aprovação. Orientador: Ely Paiva, Doutor.
Campinas (SP), dezembro de 2007
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIATURAS ................................................................ iv LISTA DE FIGURAS .............................................................................. v LISTA DE TABELAS ............................................................................. vi RESUMO ................................................................................................ vii ABSTRACT............................................................................................. viii
1. INTRODUÇÃO ..................................................................................... 1 1.1. OBJETIVOS ........................................................................................................ 2 1.1.1. Objetivo Geral .................................................................................................. 2 1.1.2. Objetivo Específico .......................................................................................... 2 1.2. METODOLOGIA ............................................................................................... 2 1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO ....................................................................... 2
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ....................................................... 4 2.1. CONCEITOS DE AUTOMAÇÃO .................................................................... 4 2.2. PRENSAS ............................................................................................................ 5 2.2.1. Elementos Básicos de uma Prensa .................................................................. 6 2.2.2. Prensas Mecânicas ........................................................................................... 7 2.2.3. Prensas Hidráulicas ......................................................................................... 8 2.3. MATERIAIS UTILIZADOS ............................................................................. 9 2.4. MATERIAIS ELÉTRICOS ............................................................................... 9 2.4.1. Controlador Lógico Programável (CLP) ....................................................... 9 2.4.1.1. Princípio de Funcionamento .......................................................................... 10 2.4.2. Contadores de Golpe Tecno Press ................................................................ 12 2.4.3. Interruptores de Posição ................................................................................12 2.4.4. Disjuntor Motor Termomagnético ............................................................... 13 2.4.5. Botões, Seletoras e Sinaleiros ........................................................................ 14 2.5. MATERIAIS PNEUMÁTICOS ...................................................................... 14 2.5.1. Válvulas Pneumáticas ................................................................................... 14 2.5.2. Conexões de Engate Rápido .......................................................................... 15 2.5.3. Cilíndros Pneumáticos DNC ......................................................................... 15 2.5.4. Cilíndros Pneumáticos ADVU ...................................................................... 16 2.5.5. Unidade de Conservação ............................................................................... 16
3. PROJETO ............................................................................................ 18 3.1. LINGUAGEM LADDER ................................................................................. 18 3.2. SOFTWARE STEP 7 MICRO/WIN ............................................................... 18 3.3. ESPECIFICAÇÕES DO CLP ......................................................................... 19 3.4. APLICAÇÕES DOS MATERIAIS ................................................................. 21 3.5. COMPONENTES DA PRENSA ........................................ ............................. 21
iii
3.5.1. Volante da Prensa .................................. ....................................................... 22 3.5.2. Botoeiras de Simultaneidade .......................................... .............................. 23 3.5.3. Morsa da Ferramenta ................................. ................................................. 23 3.5.4. Conjunto Mecânico de Chavetas .......................................... ....................... 24 3.5.5. Martelo da Prensa ........................................ ................................................ 25 3.6. MÉTODOS DA PROGRAMAÇÃO CLP ........................................ .............. 25 3.6.1. EXECUÇÃO DO PRGRAMA ........................................ ............................. 28 3.6.2. Endereçamento dos Equipamentos ...................... ....................................... 32
CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................. 33 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................. 34
LISTA DE ABREVIATURAS
CLP Controlador Lógico Programável TON Tonelada
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Detalhes dos Equipamentos de uma Prensa ..................................................................... 06 Figura 2. Prensa Excêntrica de 80 Ton ........................................................................................... 07 Figura 3. Prensa Hidráulica ........................................................................................................... 08 Figura 4. Controlador lógico Programável (CLP) ........................................................................... 09 Figura 5. Estrutura Básica de um CLP ........................................................................................... 11 Figura 6. Ciclos de Processamento do CLP .................................................................................... 11 Figura 7. Contador de Golpe Tecno Press ...................................................................................... 12 Figura 8. Fim de Curso, modelo XCKM 115 ................................................................................. 13 Figura 9. Disjuntor Motor Termomagnético Modelo GV2ME14 .................................................... 13 Figura 10. Botões, Seletoras e Sinaleiros ....................................................................................... 14 Figura 11. Válvulas direcionais MFH 5 1/8” e válvula de escape SE 1/4”. ..................................... 15 Figura 12. Conexões de Engate Rápido QS 1/8”-8 e 1/4”-8 ........................................................... 15 Figura 13. Cilindros Pneumáticos Tipo DNC ................................................................................. 16 Figura 14. Cilindros Pneumáticos Tipo ADVU 80 ......................................................................... 16 Figura 15. Unidade de Conservação FRC-1/4-D ............................................................................ 17 Figura 16. Tela de Programação do Software Step 7 ...................................................................... 19 Figura 17. CLP Siemens Simatic S7-200 ....................................................................................... 20 Figura 18. Volante da Prensa Excêntrica ........................................................................................ 22 Figura 19. Comando Bi-Manual .................................................................................................... 23 Figura 20. Modelo de Acionamento por Chavetas .......................................................................... 24 Figura 21. Ilustração do Martelo da Prensa .................................................................................... 25 Figura 22. Diagrama elétrico do Motor da Prensa ......................................................................... 26 Figura 23. Ferramenta – Parte Lateral ............................................................................................ 26 Figura 24. Punções da Ferramenta ................................................................................................. 27 Figura 25. Ilustração do Micro e Martelo ....................................................................................... 27 Figura 26. Ferramenta com cilindros pneumáticos ........................................................................ 28 Figura 27. Programação do CLP – Parte 1 ..................................................................................... 29 Figura 28. Programação do CLP – Parte 2 ..................................................................................... 30 Figura 29. Programação do CLP – Parte 3 ..................................................................................... 31
vi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Principais Símbolos de Programação .............................................................................. 18 Tabela 2. Características do CLP ................................................................................................... 19 Tabela 3. Especificações do CLP Simatic S7-200 .......................................................................... 20 Tabela 4. Endereçamento dos Equipamentos na Programação ....................................................... 31
RESUMO
Zeni, Giuliano. Automação de uma Prensa Excêntrica. Campinas, 2007.Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas, 2007. Neste projeto apresenta-se a automatização de uma prensa excêntrica e o estampo, devido à necessidade de melhoria de qualidade e produtividade. No desenvolvimento da automatização utiliza-se um CLP (Controlador Lógico Programável) fabricado pela Siemens modelo Simatic 200, cuja programação é feita com o software STEP 7 Micro/WIN. Toda programação do CLP foi feita na linguagem Ladder, que é similar à linguagem de diagramas lógicos de acionamento muito utilizada na área de controle. Esta linguagem Ladder nos permite desenvolver lógicas combinacionais, seqüenciais e circuitos que envolvam ambas, utilizando como operadores para estas lógicas: entradas, saídas, estados auxiliares e registros numéricos. Para a realização deste projeto também foram utilizados alguns materiais elétricos e pneumáticos muito importantes nesta área de automação. Estes equipamentos foram instalados na máquina, onde desempenham suas funções de acordo com a programação feita. Palavras-chave: Automação Industrial, Prensa Excêntrica, Controlador Lógico Programável.
ABSTRACT
In this project the automation of an eccentric press is presented whose purpose is to improve the
quality and productivity in our company. With this objective, we use a Programmable Logic
Controller manufactured by Siemens in combination with the programming model Simatic 200 and
the software STEP 7 Micro/WIN.
The programming of the CLP was made through the Ladder language that is similar to the
languages of logical diagrams commonly used in the control area. The Ladder language allows for
the development of combinational logics, as well as sequential logic and digital circuits that involve
both, using as operators the numerical entrances, exits, auxiliary states and registers.
For the accomplishment of this project we also present some important electric and pneumatic
equipments used in the automation of the press. These components were installed in the machine,
where they play specific functions in accordance with the programming software.
Keywords: Industry Automation, Eccentric Press, Programmable Logic Controller.
1. INTRODUÇÃO
O mercado consumidor está cada vez mais exigente, tanto em qualidade como em preços.
Sendo assim as indústrias necessitam baratear seus produtos para serem competitivos, e uma das
maneiras é aproveitar melhor a mão de obra de seus funcionários em diferentes atividades no
processo produtivo. As empresas estão automatizando suas máquinas e optando por trabalharem
com células de fabricação, ou seja, entra a matéria prima e sai a peça pronta, diminuindo o
movimento de um setor para outro [1].
O projeto apresentado aqui corresponde à automação de uma prensa para a execução de 16
golpes, após os quais a prensa pára automaticamente. Após este processo é acionado um cilindro
pneumático para abrir a pinça e em seguida, acionado um outro cilindro pneumático para destacar a
peça. Feito isso o operador retira a peça e coloca outra no lugar, reiniciando assim todo o processo.
Este projeto trará para a empresa uma maior produtividade, visto que a máquina sem estas
alterações apresentava uma baixa produtividade, já que o trabalho em sua grande maioria era feito
manualmente.
Com as alterações propostas espera-se um aumento na produtividade, além de que o
operador da máquina, enquanto espera todo o processo poderá exercer outras funções em seu
trabalho. Analisando este projeto, verificou-se que o custo dessas modificações na máquina é baixo
em comparação ao retorno que trará à empresa.
A função da prensa considerada é conformar uma peça através de quatro operações:
perfurar, serrar o meio, rebarbar e reduzir as extremidades. Em um processo normal seriam
utilizadas quatro pessoas. Com a automação proposta podemos reduzir este processo para apenas
uma pessoa. Para iniciar o ciclo produtivo, o operador coloca a peça (tubo) no estampo, que está
preso na prensa. Em seguida é acionado o comando do bi-manual e a partir daí inicia-se todo o
processo de perfuração. Enquanto esta operação está sendo executada, o operador realiza as demais
operações necessárias para concluir o produto e assim é feito sucessivamente.
Para o sistema de perfuração do tubo é projetado um estampo com sistema de avanço
mecânico, ou seja, toda vez que a prensa der o primeiro golpe, a peça irá girar e ficar preparada para
o próximo golpe e assim sucessivamente. Este tubo é preso na ferramenta através de uma pinça,
onde o operador precisa forçar com um grampo para a mesma abrir, para colocar ou retirar a peça.
2
Com a automatização proposta, diminui-se o risco de quebra do estampo e também o risco
de falhas na furação do tubo.
1.1. OBJETIVOS
1.1.1. Objetivo Geral
O objetivo deste projeto é automatizar uma prensa excêntrica e o estampo, devido à
necessidade de melhoria de qualidade e produtividade. Este processo é utilizado para perfurar peças
de tubos de aço inox com diversos diâmetros e espessura de 1,5 mm onde são feitos furos no tubo
de 4 mm de diâmetro, utilizadas em escapamentos de automóveis.
1.1.2. Objetivos Específicos
Para alcançar o objetivo de automatizar uma prensa excêntrica, foram estabelecidos alguns
objetivos específicos citados abaixo.
• Estudo sobre os conceitos e princípios da automação, aplicado na área da produção
industrial;
• Levantamento e conhecimento de todos os materiais pneumáticos, elétricos e eletrônicos
utilizados neste processo, bem como o funcionamento de todos;
• Desenvolver habilidades para a utilização do CLP;
• Conhecimento do processo produtivo do produto que está sendo manufaturado, desde o
início do ciclo até o seu término.
1.2. METODOLOGIA
Levantamento dos equipamentos a serem utilizados no projeto, estudo e pesquisas em livros
e internet, elaborar uma forma ideal para a instalação dos equipamentos propostos no painel elétrico
da máquina, elaborar a programação necessária para o CLP, bem como a instalação de cilindros
pneumáticos na prensa a ser automatizada para finalizar a implementação proposta.
3
1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO
O trabalho é estruturado da seguinte forma:
1. Introdução: neste capítulo é realizado um breve histórico de todo o projeto a ser
implementado.
2. Fundamentação teórica: nesta etapa do trabalho são discutidos conceitos sobre
automação, os tipos de prensas e os principais materiais utilizados.
3. Projeto: são apresentadas informações importantes sobre as prensas, algumas
características do CLP utilizado e os conceitos sobre a linguagem Ladder de todo
o escopo da programação do CLP.
4. Considerações finais: conclusões e resultados obtidos no desenvolvimento do
trabalho.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A seguir apresenta-se o conhecimento teórico necessário para o desenvolvimento de todo
projeto. Um estudo sobre todos os materiais elétricos e pneumáticos será mostrado, juntamente com
um breve histórico dos mesmos. Para explicar o sistema de automação da prensa será relatado
também um pouco sobre os controladores lógicos programáveis (CLP’s).
2.1. CONCEITO DE AUTOMAÇÃO
A história da automação industrial começa com a criação das linhas de montagens
automobilísticas com Henry Ford, na década de 20. Daí para cá o avanço tecnológico nas mais
diversas áreas da automação industrial tem sido cada vez maior, proporcionando um aumento na
qualidade e quantidade de produção e reduzindo custos [1].
O avanço da automação está ligado, em grande parte, ao avanço da microeletrônica que se
deu nos últimos anos. Os CLPs (Controlador Lógico Programável) surgiram na década de 60 e
substituíram os painéis de cabine de controle com relés, diminuindo, assim, o alto consumo de
energia, a difícil manutenção e modificação de comandos e as onerosas alterações na fiação [1].
Usa-se a palavra automação, em geral, quando as máquinas substituem o trabalho humano, o
que é uma tendência das indústrias modernas. O emprego indiscriminado dessa palavra, no entanto,
tem criado algumas confusões. Na verdade, a simples utilização das máquinas já vem facilitando e
reduzindo as tarefas humanas desde fins do século XVIII, mas isso não chega a ser automação e sim
uma mecanização [1].
A operação de uma máquina automática envolve simultaneamente mecanização,
racionalização, processamento contínuo e controle automático. A mecanização substitui e
aperfeiçoa o esforço muscular humano. A racionalização liga os aspectos técnicos aos fatores
empresariais e sociais, a própria maquina escolhe a melhor combinação dos meios para atingir os
objetivos com a maior eficiência. O processamento contínuo permite um enorme aumento da
produtividade pela eficiência e organização do processo de produção. O controle automático
funciona através de realimentação onde o computador dirige toda a operação, recebendo
informações, analisando-as e corrigindo desvios eventuais [1].
5
Devido a essa grande automatização que vem ocorrendo ao longo dos anos, os processos de
usinagem passam também por esta evolução, como é o exemplo dos processos de estampagem. Este
processo consiste num conjunto de operações com as quais sem produzir “cavacos” de uma chapa
plana com uma ou mais deformações se obtém uma peça que possui forma geométrica própria,
plana ou oca. Estas operações se realizam mediante dispositivos chamados estampo em máquinas
denominadas prensas. A estampagem permite conformar peças que outros sistemas de fabricação
não poderiam produzir com a mesma precisão e beleza. As operações se dividem em cortar, dobrar
e embutir [2].
Como o objetivo desse projeto é a automação de uma prensa excêntrica, é necessário
descrever um pouco sobre esta máquina tão importante nos processos de usinagem.
2.2. PRENSAS
As prensas são máquinas pesadas em que o material, placa ou chapa são trabalhados sob
operações de conformação ou corte e são utilizados principalmente na metalurgia básica e na
fabricação de produtos de metal, máquinas e equipamentos, máquinas de escritório e equipamentos
de informática, móveis com predominância de metal, veículos automotores e carrocerias [3].
As prensas são usadas para conformar, moldar, cortar, furar, cunhar e vazar peças [3].
Nesses processos existe sempre um martelo (punção) cujo movimento é proveniente de um
sistema hidráulico (cilindro hidráulico) ou de um sistema mecânico (em que o movimento rotativo é
transformado em linear através de um sistema de bielas, manivelas ou fusos) [3].
Há uma grande diversidade de prensas, que variam quanto ao tipo, modelo, tamanho e
capacidade de aplicação de força ou velocidade [3].
No mercado, encontramos prensas com capacidade de carga de poucos quilos até prensas de
mais de 50.000 toneladas de força. No parque industrial brasileiro a maioria das prensas é do tipo
excêntrica, que é a mais perigosa. O acionamento das prensas pode ser feito por pedais, botoeiras
simples, por comando bi-manual ou por acionamento contínuo [3].
6
2.2.1. Elementos Básicos em uma Prensa
Figura 1. Detalhe dos equipamentos de uma prensa
1. Cadeia cinemática: conjunto de todas as peças que geram o movimento para ser aplicado no
martelo. Fazem parte da cadeia cinemática as peças: volantes, engrenagens, eixos, guias, correias
entre outras.
2. Biela: peça que faz a conexão entre o conjunto de tração e o martelo.
3. Martelo: peça em cuja extremidade, fixa-se o estampo e que aplica a força necessária para fazer
a conformação da peça.
4. Zona de prensagem: espaço entre o martelo e a mesa da prensa, onde se coloca o ferramental. É
a área onde o martelo aplica a força e na qual o operador deve concentrar toda a sua atenção, pois é
onde realiza seu trabalho ou atividade.
5. Comando bi-manual: dispositivo de segurança da prensa que exige que o operador mantenha as
duas mãos nos botões de acionamento para que a máquina comece a funcionar.
6. Estrutura: armação da prensa que pode ser confeccionada em ferro fundido, aço fundido ou em
chapa de aço soldada.
7
As prensas se dividem em duas categorias:
• Mecânicas
• Hidráulicas
2.2.2. Prensas Mecânicas
As prensas mecânicas podem ser excêntricas ou de fricção. Existe uma infinidade de
produtos que utilizam prensas excêntricas no processo de fabricação. No universo de aplicação de
prensas excêntricas podemos encontrar desde uma operação muito simples como compactação de
sabonetes até as mais sofisticadas, como a conformação de peças aeronáuticas com alto grau de
complexidade e de tolerâncias reduzidas. Sem nenhuma exceção as operações com prensas
excêntricas devem contemplar os mesmos critérios de cuidados em sua utilização, pois o princípio
físico presente é o mesmo [4].
A prensa excêntrica geralmente é empregada para quase todas as operações de corte, alguns
tipos de dobrado, embutido e algumas operações combinadas de corte e embutido realizado em um
só estampo. Existem vários tipos de prensa excêntrica, normalmente fabricam-se prensas que vão de
10 a 160 toneladas de pressão [4].
Apesar aparentar robustez, uma prensa excêntrica sempre terá limites que não devem ser
ultrapassados e que normalmente são ignorados ou negligenciados pela maioria dos usuários [4].
Figura 2. Prensa Excêntrica 80 ton.
8
A prensa de fricção é usada para estampagem em altas pressões, sendo indicadas para
cunhagem de moedas, placas artísticas e outros objetos similares. São fabricadas para exercerem
uma pressão de 40 a 250 toneladas que vão de 15 a 20 golpes por minuto conforme o curso do
punção. Tanto a prensa excêntrica como a de fricção, são sistemas mecânicos onde seus
movimentos são obtidos por meio de uma transmissão mecânica [4].
2.2.3. Prensas Hidráulicas
A prensa hidráulica é uma classe de equipamento que foi muito importante para a evolução
industrial. Antigamente a formação de materiais laminares requeria que o material fosse martelado e
lhe fosse dada forma manualmente com o uso de maço e buril. Houve outras tecnologias para as
prensas, como a prensa de parafuso, mas estas apresentavam limitações significativas, sendo a
maior delas a pressão que deveria atingir. As prensas hidráulicas modernas são capazes de atingir
pressões superiores a 2.000 toneladas, e conseguem dar formas a frio aos metais. Outra aplicação
das prensas hidráulicas é a formação de materiais compostos na indústria de tijolos, permitindo a
criação de formas complexas e a fabricação em linhas de montagem [4].
Figura 3. Prensas Hidráulicas
Este tipo de prensa possui diversas qualidades como: alta velocidade de trabalho, autonomia
e curso facilmente regulável atingindo velocidade e pressão ideal. Nesta prensa o serviço é realizado
pela descida e subida do martelo que é executado pela ação de um ou mais cilindros hidráulicos
atuados por unidades hidráulicas. Em outras palavras, o martelo se movimenta por força de um
pistão que se desloca num meio fluído (óleo) dentro de um cilindro. Seu movimento é lento e pode
9
ser interrompido a qualquer momento, tendo como acessórios principais: a bomba, as canalizações e
as válvulas de controle do óleo [4].
2.3. MATERIAIS UTILIZADOS
Para explicar o sistema de automação implantado na prensa, descreve-se a seguir detalhes
dos equipamentos utilizados neste projeto, bem como os materiais elétricos e pneumáticos.
2.4. MATERIAIS ELÉTRICOS
2.4.1. Controlador Lógico Programável (CLP)
Os Controladores Lógicos Programáveis ou CLPs, são equipamentos eletrônicos utilizados
em sistemas de automação flexível. São ferramentas de trabalho muito úteis e versáteis para
aplicações em sistemas de acionamentos e controles, e por isso, são utilizados em grande escala no
mercado industrial. Permitem desenvolver e alterar facilmente a lógica para acionamento das saídas
em função das entradas. Desta forma, podemos associar diversos sinais de entrada para controlar
diversos atuadores ligados nos pontos de saída [5].
Figura 4. Controlador Lógico Programável (CLP)
10
O CLP pode receber ou enviar informações para o processo através de sinais classificados
como sinais digitais ou sinais analógicos [5].
Os sinais de entradas digitais são aqueles que possuem a função de indicar qualquer
ocorrência no processo através de sinais definidos como ligados ou desligados. Por exemplo, um
relê de sobrecarga atuado, sensores ou chaves fim-de-curso, botões para indicar operações a serem
efetuadas, entre outros. As entradas podem receber tensões de diversos valores e características
conforme a especificação de cada fabricante. O padrão mais comum é encontrado em sinais de 24
Volts em corrente contínua ou 110 Volts em corrente alternada [5].
Como exemplo de saídas digitais podem ser citados todos os elementos que são atuados pelo
controlador programável, através de um contato ou elemento de estado sólido, como um tiristor que
através do programa pode acionar um elemento do processo. Como estas saídas possuem limitações
de corrente de operação, utilizam-se elementos como, por exemplo, uma chave magnética
responsável pelo acionamento de um motor elétrico ou qualquer outra carga que consuma grande
energia, relês para o acionamento de cargas menores como bobinas eletromagnéticas de
acionamento de válvulas pneumáticas ou hidráulicas, ou cargas de baixo consumo, como lâmpadas
e sirenes ligadas diretamente a saída [5].
Muitas vezes não basta apenas saber se um elemento foi acionado ou não, mas o quanto foi
acionado. Para estas situações utilizam-se sinais de entrada analógicos, que são sinais que indicam
um valor de uma variável através de um sinal de tensão (0 a 10 Vcc; -5 V a +5V) ou de corrente
proporcional à grandeza medida [5].
Os sinais analógicos de entrada, ao serem recebidos pelo CLP, são digitalizados, ou seja,
convertidos em números binários, e se diferenciam também com respeito a sua precisão. Isto pode
ser indicado pelo número de bits composto pelo valor obtido [5].
Portanto, devido à capacidade de trabalhar com qualquer tipo de sinal, pode-se dizer que um
CLP é o elemento ideal para se controlar um sistema ou processo, seja ele analógico ou digital [5].
2.4.1.1 Princípio de Funcionamento
Podemos apresentar a estrutura de um CLP dividida em três partes: entrada, processamento
e saída [7].
11
Figura 5. Estrutura Básica de um CLP
Os sinais de entrada e saída dos CLPs podem ser digitais ou analógicos. Existem diversos
tipos de módulos de entrada e saída que se adequam as necessidades do sistema a ser controlado [7].
Os módulos de entrada e saídas são compostos de grupos de bits, associados em conjunto de
8 bits (1 byte) ou conjunto de 16 bits, de acordo com o tipo da CPU [7].
As entradas analógicas são módulos conversores A/D, que convertem um sinal de entrada
em um valor digital, normalmente de 12 bits (4096 combinações). As saídas analógicas são
módulos conversores D/A, ou seja, um valor binário é transformado em um sinal analógico [7].
Os sinais dos sensores são aplicados às entradas do controlador e a cada ciclo (varredura)
todos esses sinais são lidos e transferidos para a unidade de memória interna denominada memória
imagem de entrada. Estes sinais são associados entre si e aos sinais internos. Ao término do ciclo de
varredura, os resultados são transferidos à memória imagem de saída e então aplicados aos
terminais de saída. Este ciclo esta representado na figura abaixo [7].
Figura 6. Ciclo de processamento dos CLPs
12
2.4.2. Contadores de Golpes Tecno Press
Os contadores de golpes, conforme ilustrado na (figura 7), foram desenvolvidos para
aplicações em serviços contínuos, sob as mais rígidas condições de trabalho em aplicações
industriais, onde precisão, repetibilidade e confiabilidade são fundamentais [8].
Em caso de falta de energia, o aparelho armazena em sua memória , não só a contagem
indicada no display, bem como os parâmetros programados. As principais características dos
contadores são: entradas configuráveis para contagem através de sensores npn/pnp ou contato seco,
duas pré-determinações para acionar os relés de saída, tempo de pulso, fator de multiplicação, filtro
de entrada de contagem programável, contagem progressiva ou regressiva (up/down) e uma fácil
programação com até 16 modos configuráveis [8].
Figura 7. Ciclo de processamento dos CLPs
2.4.3. Interruptores de Posição
Os interruptores de posição, conforme ilustrado na (figura 8), estão presentes em todas as
instalações automatizadas, bem como em uma grande variedade de aplicações, em função do
número de vantagens inerentes à sua tecnologia. Eles transmitem ao sistema de tratamento,
informações de presença/ausência e de passagem de posicionamento de fim de curso. São aparelhos
de uma grande simplicidade de colocação em funcionamento, que oferece vários benefícios [9]
Do ponto de vista elétrico: há uma separação galvânica dos circuitos, uma boa capacidade
de comutar baixas cargas (conforme o modelo), aliada a uma elevada vida elétrica, uma boa
resistência a curtos-circuitos em coordenação com fusíveis apropriados e uma imunidade total aos
parasitas eletromecânicos [9].
13
Do ponto de vista mecânico: há uma manobra positiva de abertura dos contatos, uma boa
resistência aos diversos tipos ambientes industriais e uma boa fidelidade até 0,01mm nas costas de
acionamento [9].
Figura 8. Fim de Curso, modelo XCKM 115
2.4.4. Disjuntor Motor Termomagnéticos
Os disjuntores motores GV2-ME14, conforme ilustrado na (figura 9), são disjuntores
termomagnéticos tripolares adaptados ao comando e à proteção dos motores, conforme as normas
IEC 947-2 e IEC 947-4-1. Estes disjuntores são previstos para conexão por parafusos. Esta técnica
garanti um aperto seguro e constante, resistente aos ambientes severos, vibrações e choques, sendo
mais eficaz com condutores sem terminais. Cada conexão pode receber dois condutores
independentes. O comando é manual e local quando o disjuntor-motor for utilizado sozinho, e é
automático e a distância quando for associado a um contator [10].
Figura 9. Disjuntor-motor termomagnético, modelo GV2ME14
14
A proteção dos motores é garantida pelos dispositivos de proteção termomagnéticos,
incorporados aos disjuntores motores. Os elementos magnéticos (proteção contra curtos-circuitos)
têm um nível de desligamento não regulável. É igual à aproximadamente 13 vezes a corrente de
regulagem máxima dos disparos térmicos. Os elementos térmicos (proteção contra sobrecargas), são
compensados contra as variações da temperatura ambiente. A proteção das pessoas é igualmente
garantida, pois todas as peças energizadas são inacessíveis ao toque. Em caso de falta de energia, a
adjunção de um disparador de mínima tensão permite o desligamento do disjuntor motor. O usuário
é assim protegido contra uma partida inesperada da máquina na reenergização, sendo indispensável
pressionar o botão “I” para dar uma nova partida ao motor [10].
2.4.5. Botões, Seletoras e Sinaleiros
Nas figuras abaixo, encontram-se alguns botões que foram utilizados no projeto, como por
exemplo, os botões Telemecanique, que tem como função ligar e desligar o motor. As seletoras
utilizadas servem para ajustar a prensa do modo manual para o modo automático. Também foi
utilizado um sinaleiro para indicar que o motor da prensa está ligado ou desligado [11].
Figura 10. Botões, seletoras e sinaleiros.
2.5. MATERIAIS PNEUMÁTICOS
2.5.1. Válvulas Pneumáticas
Neste projeto também foram utilizados alguns materiais pneumáticos, como as válvulas
direcionais e as válvulas de escape rápido. Elas têm como características grande vazão e rápida
resposta no acionamento, apresentam menor peso e dimensões, podem ser simples ou com duplo
piloto nas seguintes bitolas: G1/8”, G1/4” e G1/2”. Podemos encontrar estas válvulas na versão
normal aberta ou normal fechada, disponíveis nas versões com três ou cinco vias e trabalham sem
lubrificação [12].
15
Figura 11. Válvulas direcionais MFH 5 1/8” e válvula de escape SE 1/4”.
2.5.2. Conexões de Engate Rápido
As conexões de engate rápido para tubos flexíveis série QS, conforme vistos nas (figuras
12), possuem algumas características como a economia de tempo na instalação com a conexão
rápida do tubo, trabalham com ar comprimido ou vácuo, podem girar 360º sobre o seu conector
roscado (orientável) e feito com conector roscado em latão niquelado de alta qualidade. Podemos
encontrar esta conexão nas seguintes bitolas: R M5, G1/4”, G3/8” e G1/2” [12].
Figura 12. Conexões de engate rápido QS 1/8”-8 e 1/4”-8
2.5.3. Cilindros Pneumáticos DNC
As séries de cilindros DNC conforme ilustrados nas (figuras 13), são disponíveis nos
diâmetros de 32 a 125mm e curso de até 2000mm, com camisa de alumínio e haste de aço
inoxidável e atendem à norma ISO 6431, sendo internacionalmente aprovado pelas indústrias
automobilísticas e outros importantes segmentos de mercado. Esses cilindros, conforme vemos nas
figuras abaixo, podem trabalhar com ou sem lubrificação, são de fácil manutenção, permitem fácil
intercâmbio entre as fixações sem precisar desmontar o cilindro e possui execuções especiais para
aplicações diferenciadas [12].
16
Figura 13. Cilindros pneumáticos DNC.
2.5.4. Cilindros Pneumáticos ADVU
Também foi utilizado um cilindro pneumático modelo ADVU 80 com curso de 50mm. Esse
cilindro, ilustrado na (figura 14), possui algumas características como uma nova tecnologia de
construção do corpo com cabeçotes dianteiro e traseiro, êmbolo magnético para detecção, sem
contato direto, através de sensores, disponíveis nos diâmetros de 12 a 100 mm e cursos de 1 a
400mm e economia de espaço de até 50% se comparado aos cilindros convencionais e tem menor
peso [12].
2.5.5. Unidade de Conservação
A segurança do funcionamento e a vida de uma instalação pneumática dependem
consideravelmente da preparação do ar comprimido. As impurezas do ar comprimido podem causar
grandes danos às instalações pneumáticas. A freqüência de partida e parada do compressor origina
oscilações na pressão que acabam influenciando negativamente no funcionamento. Para eliminar
estas influências nocivas, devem ser empregadas em cada comando pneumático as unidades de
conservação para o ar comprimido. Os filtros de ar comprimido eliminam do ar as partículas sólidas
Figura 14. Cilindro pneumático ADVU 80.
17
e auxiliam na remoção da umidade. Uma linha completa de unidades de tratamento de ar vai de
G1/8” até G1”. Os vários elementos oferecem diferentes possibilidades de montagem e seqüência,
de acordo com a necessidade. Essas unidades possuem algumas características como: disponíveis
em 4 tamanhos e 10 dimensões, grande vazão e eficiência de retenção das partículas de sujeira,
possuem dreno manual ou dreno automático integrado e possuem acessórios como manômetros com
ou sem escala colorida. A unidade de conservação utilizada pode ser vista na figura abaixo [12].
Figura 15. Unidade de conservação FRC-1/4-D.
18
3. PROJETO
O projeto de automação desenvolvido foi implantado em uma máquina denominada prensa
excêntrica (figura 2). Todos os materiais que foram citados acima são detalhados abaixo com suas
respectivas funções e aplicações necessárias para a realização do projeto.
Para o desenvolvimento do projeto proposto foi utilizada, a linguagem de programação
Ladder. A seguir fazemos uma breve apresentação desta linguagem e falamos também um pouco
sobre o software STEP 7 Micro/WIN para programação do CLP.
3.1. LINGUAGEM LADDER
Uma das linguagens de programação de CLPs mais usadas é o diagrama de contatos, ou
linguagem Ladder. Consiste na programação de condições de acionamento/desligamento de
atuadores lógicos através de “contatos”, os quais podem ser entendidos como bits de condição.
A linguagem Ladder permite que se desenvolvam lógicas combinacionais, seqüenciais e
circuitos que envolvam ambas, utilizando como operadores para estas lógicas: entradas, saídas,
estados auxiliares e registros numéricos. A tabela abaixo nos mostra os três principais símbolos de
programação.
Tabela 1. Principais símbolos de programação.
3.2. SOFTWARE STEP 7 MICRO/WIN
A programação do CLP utilizado SIMATIC S7-200 foi feita através do software STEP 7
Micro/WIN, que é uma ferramenta de grande facilidade de uso, possibilitando a programação na
linguagem que mais lhe agrada: LAD, FDB e STL (SIMATIC), ou KOP e FUP (IEC 1131).
19
Sua aparência e operação são idênticas às aplicações padrões do Windows, facilitando a
interface com o usuário. Permite que você crie suas próprias bibliotecas, com partes de programas
para serem reutilizadas, ou adicionar bibliotecas prontas, como a de protocolo USS.
Figura 16. Tela de programação do software STEP 7 Micro/WIN
3.3. ESPECIFICAÇÕES DO CLP
Para o desenvolvimento do projeto foi utilizado um CLP fabricado pela Siemens (Simatic
S7-200). Esse CLP apresenta as seguintes características:
CPU Memoria
Programa Tensão de
Alimentação Entradas Digitais Integradas
Saídas Digitais
Integradas
Tempo de resposta
222 4/2 kB 24 VCC 8 X 24
VCC
Estado ON: de 15 à 35 VCC 6 X transistor -
0,75 A
I 0.0 à I 0.3: 0,2 ms
I 0.4 à I 1.5: 1,2 ms
Estado OFF: de 0 à 5,0 VCC I 0.6 à I 1.5: 3,0 ms
Tabela 2. Características do CLP
20
Figura 17. CLP Siemesn Simatic S7-200
Tabela 3. Especificações do CLP S7-200
Item Descrição
1 Terminais da saída
2 Fonte de Alimentação
3 Interruptor p/ seleção de modalidade,
4 Porta p/ os módulos de expansão (não com CPU 221)
5 Potenciometro analógico
6 Saída p/ sensores DC 24V / 180mA
7 Terminais de entrada
8 Porta de conexão p/ programação (PPI)
2
1 2
3
4
5
6 7 8
21
3.4. APLICAÇÕES DOS MATERIAIS UTILIZADOS
Na parte frontal do painel, foram instalados um contador de golpes Tecno Press modelo
M62 V, um botão Telemecanique XB2-BA312, um botão Telemecanique XB2-BX411 ambos com
a função de ligar e desligar o motor. Também foram instalados na parte frontal do painel uma
seletora Telemecanique XB2-BD25 que tem como função ajustar a máquina do modo automático
para manual. Um sinaleiro Telemecanique XB2-BC211 também instalado na parte frontal do painel
que tem como função bi-manual, todos já mostrados nas figuras anteriores.
Na carcaça da máquina é preso um fim de curso Telemecanique XCK-M115 que tem como
função mandar o sinal para o contador de golpes, indicando as séries de golpes executadas pela
prensa na hora da operação.
Dentro do painel da prensa foi instalado um CLP Siemens Simatic 200, conforme visto na
figura 17. Ainda dentro do painel da prensa, será instalado, um disjuntor Telemecanique GV2
ME14, conforme visto na figura 9, com a função de proteger o motor caso ocorra alguma sobre
carga. Um contator BTF41 220V também instalado com a função de ligar o motor, um contator
BTH40 220V com a função de auxiliar o primeiro contator para evitar repique para sinalização e
um disjuntor bipolar que tem como função proteger todo o comando eletrônico do CLP.
Também foram utilizados alguns materiais pneumáticos como as válvulas direcionais
pneumáticas que estarão atuando para que os cilindros pneumáticos possam funcionar de maneira
correta como, por exemplo: fixação da peça na morsa para a execução dos golpes da prensa, o
acionamento da prensa dando início à contagem dos golpes executados pela prensa, a liberação da
peça que está fixada na morsa e por fim a expulsão da peça da ferramenta para que o operador possa
retirá-la com segurança e disparando o próximo processo. Para encerrar temos o conjunto das
unidades de conservação instalados na entrada da rede de ar da prensa que garante ar comprimido
puro sem prejudicar os sistemas pneumáticos.
3.5. COMPONENTES DA PRENSA
Antes de se abordar em detalhes a programação feita do CLP, apresenta-se a seguir algumas
das configurações da prensa onde atuam os componentes para fabricação do produto desejado.
Este processo é executado pela prensa da seguinte forma: a prensa excêntrica executá uma
seqüência de dezesseis golpes para a perfuração de tubos de aço inox, onde após o término deste
22
ciclo, a prensa para automaticamente. Após este processo o operador vai retirar a peça e colocar
outra, reiniciando assim todo o processo.
A seguir são apresentados os componentes da prensa com as suas respectivas funções
aplicadas ao projeto.
3.5.1. Volante da Prensa Excêntrica
Após o acionamento do motor elétrico o volante da prensa excêntrica entra em movimento
girando em torno de um eixo numa velocidade constante.
A sua principal função é determinar a velocidade de golpes que serão executados na
operação. Em uma prensa excêntrica, o sistema de armazenamento de energia é o volante de
inércia.
Figura 18. Volante da prensa excêntrica
Considere assim a equação:
e = m . (vp)²
Equação 1. Fórmula da energia do volante
Volante
23
A energia (e) disponível no volante é a massa da coroa (m) deste volante, multiplicado pelo
quadrado da velocidade periférica da coroa (Vp). Ou seja, ao se aumentar a velocidade do volante,
aumenta-se sua capacidade de armazenamento de energia ao quadrado.
3.5.2. Botoeiras de Simultaneidades
Para dar início a todo processo foi instalado na prensa um sistema de comando bi-manual,
que exige que o operador mantenha as duas mãos nos botões de acionamento para que a máquina
comece todo o seu processo produtivo.
A figura abaixo ilustra um comando eletrônico bi-manual de segurança para prensas com
acionamento simultâneo e parada de emergência normalizado.
Figura 19. Comando bi-manual
Após o acionamento simultâneo dos dois botões é iniciado então todo o ciclo de operação da
prensa seguindo uma rotina de programação feita no CLP.
3.5.3. Morsa da Ferramenta
A morsa é um tipo de dispositivo adaptado na ferramenta que está na máquina, onde após o
acionamento do comando bi-manual a solenóide pneumática é energizada fazendo com que o
cilindro pneumático atue prendendo assim a peça corretamente na ferramenta para que ela fique na
posição correta durante os golpes.
24
3.5.4. Conjunto Mecânico de Chavetas
As prensas excêntricas de engate por chaveta como apresentado neste projeto, transformam
o movimento rotativo do excêntrico em movimento linear através de sistemas de biela. O
movimento é liberado pelo engate da chaveta na engrenagem que faz o eixo girar solidário ao
volante, lembrando que uma vez iniciado o movimento ele completa o ciclo sem que se possa
interrompê-lo.
Figura 20. Modelo de acionamento por Chaveta
Após o tempo do comando de fixação do tubo, é acionado a solenóide do cilindro
pneumático da caixa de engate da prensa, fazendo com que o cilindro acione a chaveta, que em
seguida entra em contato com o movimento do volante fazendo com que o martelo da prensa
comece a executar a seqüência de golpes.
Volante
Engrenagem
Eixo
Chaveta
25
3.5.5. Martelo da Prensa
O martelo da prensa é a peça que aplica a força necessária para fazer as perfurações
desejadas nos tubos. Seu movimento é realizado logo após o acionamento da chaveta.
Figura 21. Ilustração do martelo da prensa
Com o martelo em movimento é realizada uma série de dezesseis golpes de acordo com a
programação feita no CLP. Logo após esta execução corta-se o acionamento do cilindro da caixa de
engate que faz com que a chaveta volte para seu lugar parando assim todo o movimento do martelo
da prensa.
Com a parada do martelo da prensa, a solenóide do cilindro da morsa recebe um sinal que
em seguida se abre e libera a peça. Após isto, é energizada a solenóide de outro cilindro, o qual é
acionado para expulsar a peça fora da morsa, dando condições para sua retirada. Após todos estes
processos o ciclo é desligado, favorecendo a próxima rotina de trabalho.
3.6. MÉTODOS DA PRORAMAÇÃO DO CLP
Uma possível seqüência de funcionamento do CLP Siemens é a seguinte: apertando-se a
botoeira b1, liga-se o contator que irá energizar o motor da prensa excêntrica conforme vemos na
figura abaixo. Em seguida inicia-se o movimento do volante da prensa que fica aguardando os
próximos comandos para dar início a todo processo.
Zona de prensagem ferramental
Martelo
26
Figura 22. Diagrama elétrico do motor da prensa
Pressionando as duas botoeiras simultaneamente inicia-se o ciclo de operação, seguindo uma
rotina de programação feita no controlador programável Siemens (figura 16). Energizando o contato
de memória M0.0 que fica selada pelo seu contato NA e energizando também Q0.1 e T_32, se I0.3
e I0.2 não estiverem acionados, energiza-se assim a solenóide pneumática Q0.1 da morsa que
prende o tubo a ser perfurado na ferramenta.
Figura 23. Ferramenta – parte lateral
60 HZ
3 ~
220 V
C M
R T
M 3 ~ 200 V
3 CV
Alojamento do tubo
fixado pela morsa
FUSÍVEIS
CONTATOR
RELÉ TÉRMICO
MOTOR
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Após o tempo T_33 de acionamento da prensa, o tubo é fixado na ferramenta onde é
acionado (setado) Q0.0, que por sua vez aciona a solenóide do cilindro pneumático da caixa de
engate da prensa. Este cilindro faz o acionamento da chaveta que entra em contato com o volante da
prensa e iniciam-se os golpes para a perfuração do tubo seguindo a programação.
Figura 24. Punções da ferramenta
O CLP recebe os sinais de cada golpe executado pela prensa através de um micro-interruptor
que foi instalado na parte superior da prensa. Quando o martelo da prensa se movimenta para
perfuração do tubo, o micro é acionado a cada subida enviando um ou mais pulsos no programador
através da entrada 1.
Figura 25. Ilustração do Micro e Martelo
Punções de perfuração dos tubos
Posição do tubo
Micro interruptor
Martelo da prensa
28
A prensa fica acionada, até que a quantidade de pulsos programada for realizada. Após a
quantidade de golpes selecionada no contador de pulsos, é acionado o contator C2, que em seguida
aciona a entrada I0.2 do CLP, ressetando Q0.0. Assim o cilindro pneumático da caixa de engate da
prensa desativa a chaveta do volante e também a pressão de ar, parando todo o movimento do
martelo da prensa. Ainda I0.2 energiza M0.1 (auxiliar da prensa) e T_34 que começa a contar o
tempo após a parada do martelo.
Após o tempo da parada do martelo, Q0.1 é ressetado que aciona o cilindro que abre a morsa
de fixação do tubo. Em seguida é energizado um outro relé de tempo T_35 que também conta um
tempo para energizar Q0.2 e T_36, onde é acionado outro cilindro para destacar a peça dando as
condições necessárias para a retirada do tubo já perfurado. Terminado o tempo de expulsar da peça,
T_36 e desligada a memória M0.0 finalizando todo ciclo e dando condições para uma nova rotina
de trabalho.
Figura 26. Ferramenta com cilindros pneumáticos
Já com a chave seletora de ajuste acionada (ch1) o contator CM não irá selar permitindo
assim que se faça ajustes no curso do martelo e também é dada a condição para o acionamento do
comando do CLP, através da entrada I0.3 (segurança).
Caso o operador tente burlar um dos botões do bi-manual, é contato o tempo T_32 e isso
impede a indexação do programa (segurança) não energizando M0.0.
3.6.1. Execução do Programa
A seguir são apresentadas todas as etapas da programação feitas para o CLP Siemens
Simatic S7-200, conforme visto nas figuras abaixo onde foi utilizada para a programação a
linguagem Ladder, que utiliza o software STEP 7 Micro/WIN para sua programação.
Cilindro pneumático que
abre a morsa
Cilindro pneumático que expulsa a peça
Saída da peça pronta
29
Figura 27. Programação do CLP – Parte 1
30
Figura 18. Programa do CLP 1º etapa
Figura 23. Programação CLP - 1
Figura 28. Programação do CLP – Parte 2
31
Figura 24. Programação CLP - 2
Figura 29. Programação do CLP – Parte 3
3.6.2. Endereçamento dos Equipamentos
Na tabela abaixo identificam-se os nomes dos equipamentos de acordo com os endereços
utilizados na programação do controlador.
NOME ENDEREÇO COMENTÁRIO BI_MANU I0.0 BOTÃO BI-MANUAL BI_MANU I0.1 BOTÃO BI-MANUAL CONT_PULSO I0.2 CONTADOR DE PULSO EMERG I0.3 BOTÃO DE EMERGÊNCIA VAL_PRENSA Q0.0 ACIONA PRENSA VAL_MORSA Q0.1 VÀLVULA MORSA VAL_EXPULSA Q0.2 VÀLVULA EXPULSA PEÇA T_32 T32 TEMPO SIMULTÂNEIDADE BI-MANUAL T_33 T33 TEMPO ACIONAR PRENSA T_34 T34 TEMPO PARADA MARTELO PRENSA T_35 T35 TEMPO ABRIR MORSA T_36 T36 TEMPO EXPULSAR PEÇA START M0.0 AUXILIAR BI-MANUAL AUX_PRENSA M0.1 AUXILIAR PRENSA
Tabela 4. Endereçamento dos equipamentos na programação do CLP
33
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste projeto foi apresentada a automação de uma prensa excêntrica de 80 ton. Com a
prensa automatizada, os produtos apresentaram uma melhor qualidade em seu estágio final, pois os
riscos de quebra do estampo ou a falha na furação da peça foi diminuída drasticamente.
Uma grande vantagem encontrada foi a escolha de um Controlador Lógico Programável
(CLP), que forneceu todos os recursos necessários para o bom desenvolvimento do trabalho,
gerando assim uma automatização bastante eficiente e confiável.
Com esta automação os resultados finais obtidos foram satisfatórios, visto que além de
trazer uma qualidade melhor ao produto final, também trouxe benefícios para a empresa, como uma
maior produtividade gerando maior lucro, redução dos produtos com erros, ganhando-se tempo para
que o operador possa estar realizando outras atividades no mesmo posto de trabalho, dentre outros.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Enciclopédia do Estudante. São Paulo, Ed. Nova Cultura, 1973.
[2] FERRARESI, D. Fundamentos da Usinagem dos Metais. São Paulo, Ed. Edgard Blucher,2003.
[3] FRANCO, A. Conformação de Elementos de Máquinas. São Paulo, Ed. Protec, 1985.
[4] Prensas. Disponível em: http://www.empremaq.com.br e http://www.prensajundiai.com.br
[5] PUPO, M. S. Homem-máquina para supervisão de um CLP em controle de processos. Tese, São Carlos, SP Universidade de São Paulo, USP, 2002
[6] Controlador Lógico Programável. Disponível em: <http://www.siemens.com.br>.
[7] Princípio de funcionamento do CLP. Disponível em: <http://www.lee.eng.uerg.br>.
[8] Contador Eletrônico Digital. Disponível em: <http://www.tecnopress.com.br>.
[9] Interruptores de Posição XCK. Disponível em: <http://www.telemecanique.com.br>.
[10] Disjuntores. Disponível em: <http://www.telemecanique.com.br>.
[11] Unidades de Comando e Sinalizadores XB2-B. Disponível em: <http://www.telemecanique.com.br> e fotos em: <http://www.jabu.com.br>.
[12] Festo, materiais pneumáticos. Disponível em: <http://www.festo.com.br>.