Departamento de engenharia mecânica da universidade de aveiro



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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA UNIVERSIDADE DE AVEIRO.


Projecto de Automação 2001/2002

Máquina de Corte e Chanfro de Componentes Cerâmicos



Relatório Síntese.


Autores:

Germano Veiga nº17228

Rui Homem nº18193

Orientadores:

Prof. José Santos

Eng. Abílio Borges

Prof. Vítor Santos

Índice


1 Contexto e Problemática 3

2 Situação actual 4

3 Objectivos 5

4 Solução - Estrutura da Máquina Desenvolvida 5

5 Solução - Automação 7

5.1 Interface com o Operador 9

5.1.1 Programa da consola 9

5.1.2 Programa Visual Basic 11

5.2 Controlo 12

5.2.1 Programa Autómato 12

5.3 Processo 14

6 Conclusão 15





1Contexto e Problemática

Na sequência da encomenda ao Departamento de Engenharia Mecânica, de uma máquina de corte e chanfro de componentes cerâmicos, pela empresa Rauschert Portuguesa Lda, foi proposto, no âmbito do Projecto de Automação, o projecto de automação da máquina a desenvolver em seminário de processos tecnológicos.

Os componentes a cortar (Figura 1 à esquerda) são varetas cerâmicas de forma cilíndrica, ocas. Do corte de cada vareta obtêm-se cerca de onze componentes cerâmicos nos quais é então executado o chanfro das arestas exterior de cada topo(figura 1 à direita). Sendo estes componentes o produto final da maquina. Os componentes assim obtidos são posteriormente utilizados na obtenção de fusíveis.







Figura 1 À esquerda vareta cerâmica da qual se extraem cerca de onze componentes, à direita componente cerâmico já cortado e chanfrado

2Situação actual

Actualmente a referida empresa efectua o corte e o chanfro, dos componentes fabricados, em máquinas independentes (Figura 2).





Discos de corte




Dois discos de chanfro

Alimentação de

componentes um a um




Discos de chanfro






Figura 2 –À esquerda máquina de corte. à direita máquina de chanfro.
Isto levanta alguns problemas. Como se pode ver na figura 2, por cada vareta cortada são produzidos onze novos componentes de uma só vez que depois são chanfrados individualmente, originando um estrangulamento da produção na máquina de chanfro. Levantam-se ainda alguns problemas relativamente à alimentação das duas máquinas. De facto os componentes a saída da maquina de corte são depositados em recipientes , havendo depois necessidade de um operador os transportar e colocar no alimentador da maquina de chanfro. Criam-se assim também problemas armazenamento e transferência de produtos entre os dois equipamentos.


3Objectivos

Posto isto, a máquina a desenvolver pelo Departamento de Engenharia Mecânica deverá então optimizar o corte e desenvolver uma solução alternativa para o chanfro dos componentes. Pretende-se essencialmente efectuar as duas fases do processo de forma sequencial, optimizando a cadência de produção e eliminando os problemas relativos a transferência de produtos entre equipamentos independentes.


O objectivo principal deste projecto é a automação da máquina desenvolvida pelo Departamento de Engenharia Mecânica. Partindo da solução tecnológica final encontrada para a máquina, pretende-se dotar esta das seguintes capacidades:

  • Integração das duas fases do processo (corte e chanfro).

  • Laboração em ciclo contínuo com o mínimo de intervenção humana.

  • Garantia de sincronismo entre as duas fases do processo.

  • Monitorização do processo.

  • Capacidade de ajuste e controlo dos parâmetros de funcionamento (cadência de produção, velocidades dos motores de corte e chanfro, etc.) de acordo com as necessidades da produção.

  • Interface com o operador intuitivo e de fácil utilização.


4Solução - Estrutura da Máquina Desenvolvida

A solução tecnológica final para a máquina de corte e chanfro de componentes cerâmicos, desenvolvida em Seminário de Processos Tecnológicos por colegas do ramo de Tecnologia, passou essencialmente pela manutenção do equipamento utilizado pela empresa no corte dos componentes cerâmicos. Quanto ao chanfro projectou-se e construi-se uma estrutura totalmente nova, preparada para acoplar ao equipamento de corte, permitindo assim a execução dos dois processos num só equipamento e de forma sequencial como se passa a descrever.



As varetas cerâmicas são colocadas num armazém (Figura 3; ponto 1) onde um cilindro pneumático as coloca, uma a uma, num tapete transportador (Figura 3 ponto 2) onde são levadas até aos discos de corte (Figura 3; ponto 3). Os componentes após serem cortados (figura 2 lado esquerdo) entram numa rampa (Figura 4 ponto 4) que os conduz até um conjunto mecânico constituído por um cilindro com guias (Figura 4 ponto 3) para os componentes e um cilindro exterior, concêntrico com o anterior, com ranhuras longitudinais (Figura 4 ponto 2), tendo os dois cilindros actuação independente e rodando em sentidos inversos. As peças à saída da referida rampa entram nas ranhuras do cilindro exterior ficando apoiadas sobre o cilindro interior que ao rodar em oposição ao cilindro exterior lhes confere um movimento de rotação sobre o seu eixo longitudinal. Finalmente o cilindro exterior que roda a baixa velocidade transporta as peças até aos discos de chanfro (Figura 4 ponto 1) onde as peças vão obter a sua formas final.



Figura3 – Pormenor da máquina de corte. 1)- Armazém 2)Transportador 3)Bateria de corte

4)Vareta a cortar













Figura 4 –Pormenores da bateria de chanfro. 1)- Discos de chanfro 2)- Cilindro exterior 3)- Cilindro interior 4)- Rampa de transferencia entre o corte e o chanfro 5)Componente cerâmico a obter.

No total a máquina fica equipada, em termos de elementos de controlo e actuação, com cinco motores AC trifásicos, um cilindro de simples efeito (utilizado na limpeza da bateria de corte), um cilindro de duplo efeito (utilizado na alimentação de varetas), três sensores capacitivos (utilizados também na alimentação) e três electro-válvulas.


5Solução - Automação

Após a abordagem das necessidades do projecto proposto delineou-se, para a obtenção de uma solução a seguinte linha de actuação:




  1. Estudo da solução actualmente utilizada pela empresa para o corte dos componentes.

  2. Estudo de metodologias e equipamentos de controlo de motores AC e máquinas.

  3. Acompanhamento do desenvolvimento tecnológico da máquina e avaliação das necessidades de automação das soluções encontradas.

  4. Dotação da solução final encontrada de estruturas de controlo e automação.

  5. Programação e afinação das estruturas desenvolvidas de acordo com os objectivos do projecto.

Do seguimento desta linha de actuação e tendo em conta o estudo do equipamento actual da fábrica e as sucessivas soluções tecnológicas desenvolvidas, chegou-se à seguinte solução de automação (Figura 5).





































Interface (5.1)



Controlo (5.2)



Processo(5.3)


Consola de comando (5.1.1)


Aplicação PC Visual Basic (5.1.2)





PLC (5.2.1)


Equipamento de corte de corte


Equipamento de chanfro


Vareta cerâmica a cortar


Componente a obter



Figura 5 – Esquema geral da solução proposta (A preto - fluxo de informação A amarelo – fluxo de materiais.).

5.1Interface com o Operador

O interface com o operador é constituído por uma consola Mitsubishi MAC E200, um botão de colocação da máquina em serviço, um botão de colocação fora de serviço, um botão para controlo do sistema de alimentação da máquina e o botão de segurança. Todos estes componentes estão colocados num quadro eléctrico de pequenas dimensões.

Como elemento de interface pode ainda utilizar-se um PC com um programa desenvolvido em Visual Basic que comunica com a consola protocolo MELDDE/RS 232.

5.1.1Programa da consola

O programa da consola E200 foi desenvolvido com vista a facilitar o interface com o utilizador. Neste sentido foi elaborado um controlo muito abrangente sobre os parâmetros máquina sem comprometer toda funcionalidade/operacionalidade necessárias para um equipamento de chão de fábrica.

Toda a estrutura do programa da consola é baseada num bloco inicial (Figura 6) que aparece sempre que a máquina se encontra sob tensão.


Figura 6 – Menu inicial da consola de comando
Este menu possui indicações acerca da contagem total (e parcial) de peças, da candência real da máquina em peças por hora (este valor é estimado a partir de um sensor presente antes do tapete que transporta as peças para o corte). Em termos de operação este bloco permite a introdução de lotes de peças a executar (6 ponto 1), iniciar a laboração em ciclo automático, reiniciar a contagem parcial e aceder a menus de configuração da máquina. A introdução de valores (efectuada através do teclado numérico) permite controlar a laboração da máquina até ser atingido o valor de peças desejado e consiste numa alternativa ao funcionamento contínuo que pode ser iniciado quando se introduz o valor zero (figura 6; ponto 1). O botão reset reinicia a contagem parcial e o botão setup dá acesso a uma área reservada (através de uma palavra chave), que permite um controlo mais abrangente sobre os parâmetros da máquina. Trata-se de um bloco de setup (Figura 7) que permite, através do teclado numérico, introduzir as velocidades de cada um dos motores. Estas velocidades só serão enviadas para as cartas analógicas (situação que corresponde a um efectivo movimento dos motores) quando a máquina se encontrar em ciclo automático, ou quando em manual for dada essa indicação expressa, através do comando (Figura 9; Ponto 2).


Figura 7 –Menu de Setup.
Existe ainda um menu Memori que permite armazenar até três configurações completas dos parâmetros máquina.

Existe um menu de comando Manual (Figura 8 e Figura 9) onde é possível controlar o valor da velocidade dos motores independentemente, sendo também disponibilizada mais informação (Figura 9 ponto 1) relativamente a cada motor.




Figura 8 –Opção do menu de comando manual.

No caso dos motores associados aos equipamentos de transporte (o tapete e o cilindro exterior) a informação disponibilizada diz respeito à cadência obtida para o determinado equipamento (peças por hora). No caso dos elementos de maquinação a informação extra é relativa à velocidade linear do perímetro exterior do disco (m/s). Para o cilindro interior, que é responsável pelo movimento de rotação da peça sobre si mesma, o operador pode verificar o número de voltas por segundo que a peça dá. Estes dados são provenientes de controlos em malha aberta (baseados nos valores enviados aos variadores), pelo que têm uma fiabilidade apenas razoável, apenas aceitável numa aplicação como esta. Para além destas fontes de erro existem ainda outras como o escorregamento da peça sobre o cilindro interior (erro por excesso do valor da figura 9 ponto 1), o efeito dos discos enquanto chanfram a peça sobre a rotação desta (erro por defeito do valor da figura 9 ponto 1), a possibilidade do cilindro exterior não estar sempre cheio (erro por excesso no valor da figura 8 ponto 1), entre outras.




Figura 9 –Á direita opção do menu de comando manual À esquerda efeito dos discos de chanfro sobre a rotação da peça.

5.1.2Programa Visual Basic

Durante a fase de afinação da solução estrutural surgiu a necessidade de efectuar um registo dos parâmetros máquina (velocidade dos discos, cadência...) para cada lote de peças chanfradas, por forma a garantir uma base de informação que permitisse estudar a influência destes na qualidade das peças e também avaliar a sua evolução com o número de ensaios efectuados. Desta necessidade, e visto que este tipo de equipamento possui afinações regulares, foi desenvolvido um programa PC que comunica via DDE (protocolo de comunicações entre aplicações Windows) com o PLC, para facilitar o processo de aquisição de dados a partir dos ensaios.




Figura 10 –Interface do programa Visual Basic.

Este programa permite:



  • Iniciar e Terminar o ensaio.

  • Alterar os parâmetros máquina.

  • Receber os valores presentes no PLC (velocidades dos motores, dimensão do lote a ensaiar, cadência prevista face à velocidade de cada um dos elementos de transporte, cadência verificada).

  • Introduzir alguns valores provenientes de uma análise visual do ensaio/peças que quantificam a qualidade do processo/produto obtido com a afinação em causa.

  • Registar numa folha Excel todos os dados referentes ao ensaio.



5.2Controlo

Os dispositivos de controlo foram instalados no quadro eléctrico principal e são constituídos essencialmente por um PLC Mitsubishi Fx2N equipado com dois módulos especiais de conversão digital analógico, um modulo Fx2N 4DA e um modulo Fx2N 2DA, totalizando um total de seis saídas analógicas sendo cinco delas utilizadas para comando dos cinco variadores de frequência Mitsubishi FRS-520S, também presentes no quadro de controlo, ficando a ultima livre. O PLC além da geração dos sinais analógicos para controlo dos variadores de frequência é ainda responsável por toda a gestão do funcionamento da máquina recebendo sinais dos sensores presentes nesta e controlando as electro-válvulas, sendo o funcionamento do PLC gerido por ordens do quadro de comando. Os variadores de frequência recebem um sinal analógico de 0V a 10 V do PLC e alimentam os motores com uma corrente trifásica de frequência proporcional variando desta forma a velocidade destes.



5.2.1Programa Autómato

O programa desenvolvido para este projecto teve como alicerces três vectores:



  • Robustez.

  • Versatilidade

  • Segurança.

Para atingir estes objectivos foram realizados diversos programas experimentais que, em conjunto com os dados recolhidos no estudo do controlo da máquina de corte já existente, forneceram a informação necessária para elaboração do respectivo programa.

O programa autómato é essencialmente constituído por 5 POU’s (Program Organisation Unit) que definem e organizam as diferentes áreas a controlar/parametrizar:




  1. Geral - Nesta unidade estão presentes todos os procedimentos que dizem respeito a toda a máquina, como os relativos à segurança, contagem de peças e conversão de unidades dos parâmetros máquina, por exemplo, o número de rpm necessita de ser convertido num valor numérico que a carta analógica reconheça.

  2. Automático - Nesta unidade é desenvolvida a sequência de estados que permite a execução do ciclo em automático.





MES - Máquina em Serviço
Iniciar_MAC – Comando proveniente da consola para iniciar o ciclo automático
AcelDiscos – Estado correspondente à aceleração dos discos de corte e chanfro (termina após a temporização TS1)
AcelInt – Estado correspondente à aceleração do cilindro interior (termina após a temporização TS2)
Contínuo – Estado correspondente ao corte e chanfro de varetas em contínuo
CiclosFinais – Estado que corresponde ao corte e chanfro das varetas ainda presentes na linha de fabrico quando se atinge o número de peças determinado ou quando o operador manda parar a maquina (acção terminar). (termina após a temporização TS3)
FIM – Fim de ciclo



  1. Alimentação- Aqui estão presentes as linhas de código que permitem ao PLC controlar o cilindro de alimentação em ciclo automático. A cadência deste é ajustada a partir da informação proveniente do sinal do sensor colocado à entrada do tapete de transporte de varetas para a secção de corte. É ainda verificada a falta de varetas por um tempo superior a 5 minutos que origina um corte da alimentação automática.

  2. Cartas Analógicas – Nesta POU são activadas e parametrizadas as cartas analógicas (por exemplo a escolha do tipo de sinal de saída tensão ou corrente), é efectuada a conversão dos valores pretendidos para cada motor para valores adequados à carta em questão que são posteriormente escritos na memória da carta analógica correspondente.

  3. MAC - Esta POU consiste num “apoio” dado à consola por parte do autómato que permite a esta realizar operações mais exigentes.

  4. Saídas - Nesta unidade são activadas todas as saídas (digitais e analógicas). Apesar da atribuição de valores às saídas analógicas passar por um POU independente (cartas analógicas), é efectuado um controlo dos valores a converter pela POU “saídas” permitindo assim organizar numa só estrutura a confluência de fluxos de informação (automático, manual, arranque da máquina, etc.) que correspondem a sinais físicos de comando (saídas).


5.3Processo

O processo é essencialmente constituído pela máquina a controlar. Esta encontra-se dotada de cinco motores trifásicos de corrente alterna que são os responsáveis pelo movimento das partes móveis da máquina, três electro-válvulas uma para comando do cilindro do sistema de alimentação, uma para controlo de uma escova de limpeza presente no sistema de corte e a ultima para controlo de um jacto de ar utilizado como sistema de limpeza também no sistema de corte. A máquina possui ainda como elementos de controlo três sensores capacitivos, dois deles utilizados na determinação da posição do cilindro da alimentação e o terceiro utilizado na detecção de componentes à saída do sistema de alimentação.


6Conclusão

Este projecto de automação alcançou, na generalidade, os requisitos existentes. Desenvolveram-se e implementaram-se as estruturas necessárias à automação da máquina de corte e chanfro desenvolvida pelo Departamento de Engenharia Mecânica tendo-se dotado esta de um quadro eléctrico, equipado por um PLC e por cinco variadores de velocidade, e de um quadro de comando, equipado com uma consola de dialogo e com botões de comando. Esta estrutura de comando (quadro eléctrico, PLC, variadores...) permite efectuar o controlo do módulo de chanfro desenvolvido, tal como substituir a estrutura de controlo presente no módulo de corte já existente permitindo assim uma solução global de automação com todas as vantagens que normalmente encerra, como por exemplo a sincronização das cadências dos módulos, entre outras.

Desenvolveu-se ainda toda a programação para o PLC e para a consola por forma a garantir um funcionamento da máquina de acordo com as necessidades do processo em causa, facilidade de utilização pelo operador, flexibilidade e robustez.

Embora não tenha sido possível executar o trabalho de afinação e regulação da máquina final, uma vez que a integração das soluções de corte e de chanfro numa só máquina ainda não se encontra disponível, o programa para PC desenvolvido permite fazê-lo de forma fácil.





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