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- Centro de Engenharia Automotiva da POLI-USP

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1. Conjunto CARROCERIA BRUTA Principais conjuntos 1 Carroceria Bruta 2 Porta Dianteira esq dir 3 Porta Traseira esq dir 4 Para lama esq dir 5 Tampa Traseira 6 Tampa Dianteira Conjunto PLATAFORMA 2 Principais conjuntos a ot 1 Plataforma 2 2 Lateral esq dir 3 Teto Conjunto PLATAFORMA 1 Principais conjuntos 1 Plataforma 1 2 Caixa de Roda Dianteira esq dir 3 Caixa de Roda traseira esq dir 4 Painel Traseiro 5 Painel de Dianteiro Principais conjuntos 1 Longarina Dianteira esquerda direita 2 Longarina Traseira esquerda direita 3 T nel 4 Bandeja do Assoalho esquerda direita 5 Assoalho Traseiro Figura 2 1 Segii ncia de montagem dos subconjuntos para a forma o de carroceria automotiva 2 1 Classifica o dos Processos de Jun o Devido complexidade de materiais de diferentes tipos e suas poss veis combina es empregado nas pe as a serem submetidas a processos de jun o torna se interessante proceder a uma classifica o preliminar destes processos Na figura 2 2 tem se a classifica o das jun es a partir dos processos de fabrica o mec nica Processos de Fabrica o Mec nica E Rj jr seje TIMENTO Conforma o Conforma o JUN O REVES TRATAMENTOS de Seml acabados Pe as produtos altera o das acabados proprisdades mec nicas Figura 2 2 Classifica o dos processos de jun o Atualmente a solda a ponto por resist ncia
2. Iterface de redes e controlador de seguran a Rede de Entradas e Sa das remotas distribu das M dulo de E S s E EE E F remotas IP20 M dulo de E S s remotas IP67 100R1 100R2 100R3 100R4 Figura 9 3 Arquitetura de hardware 124 9 3 Arquitetura de software O Controlador adotado nesta plataforma foi o modelo ILC 390 Phoenix Contact Muito embora este padr o de programa o seja uma aplica o dedicada a este CLP espec fico ela poderia ser utilizada em qualquer controlador de outro fabricante com as mesmas caracter sticas de hardware e de software de programa o que atenda a TEC 61131 3 9 3 1 Estrutura principal em SFC Sequential Flow Chart Na avalia o apurada de especialistas todas as linguagens atuais de programa o utilizadas apresentam falhas ao tentar suprir todas as necessidades No entanto a SFC provou ser a melhor das ferramentas estabelecidas permitindo por exemplo uma representa o direta do comportamento simult neo no modelo de programa o O nosso estudo de caso demonstra uma aplica o pr tica da padroniza o de linguagem de programa o e da aplica o do SFC em controle de c lulas autom ticas Ele apresenta a descri o da instala o que se pretende controlar e a descri o dos diversos n veis onde ser o aplicadas as linguagens previstas na IEC 61131 3 In cio de programa ER tnit Pino RPS YP1 Avan ar Ezg n fioovP1 Fro y TYPLV
3. 92860 Alemanha 109500 Su cia Austr lia 1840 2871 114699 176210 _ 615100 742500 892200 O que esses n meros mostram e que devido a redu o do custo e surgimento de novas motiva es tem viabilizado novos projetos de automa o robotizada nos ltimos anos As motiva es apesar de interessantes ainda s o limitadas e os custos s o ainda grandes no plano econ mico e essencialmente no plano operacional Podemos citar as principais motiva es para o investimento em automa o robotizada Motiva es e Exig ncia de maior qualidade a menor custo e Diversidade de produtos v rias op es geralmente definidas pelos clientes num mercado altamente competitivo e globalizado e Densidade de componentes por produto recorrendo frequentemente a miniaturiza o e Ciclo de vida dos produtos muito curto Isto requer sistemas produtivos altamente flex veis caracterizados por produ es em pequena m dia escala small medium batch manufacturing orientadas para as exig ncias dos clientes job shop manufacturing Figura 6 2 Nestes sistemas os rob s desempenham um papel fundamental visto que s o sistemas program veis possuindo ambientes de programa o relativamente poderosos Custos 67 poss vel definir posi es trajet rias e outras a es que podem ser repetidas continuamente com elevada precis o e repetibilidade Ali s essa a ess ncia dos rob s atuais isto s o estruturas com
4. tamb m onde se nrealizam a decis o e o gerenciamento de todo o sistema Ex Sistema ERP Gerenciamento dos Recursos da Empresa Vendas Finan as Custos Log stica Programa o Planejamento Controle de Suprimentos Controle do Processo Produtivo Supervis o e Interface Homem M quina Controladores Program veis Comandos M quinas Motores Inversores Fig 5 1 Pir mide da automa o CASTRUCCI e 2001 MORAES 55 5 5 Sistemas de Automa o Balanceada BAS No contexto de sistemas automatizados de produ o a automa o balanceada surge como uma alternativa que engloba o conceito de um n vel apropriado de automa o tecnol gica CAMARINHA 95 em oposi o s abordagens isoladas de sistemas centrados exclusivamente no ser humano ou exclusivamente na automa o total das m quinas Considera se que para incrementar a produtividade na manufatura fundamental dominar as t cnicas de automa o e integra o por computador das linhas de produ o utilizando ferramentas como CAD CAM CAPP e m quinas CNC DNC Entretanto necess rio ainda considerar quest es como start up manuten o e ocorr ncia de dist rbios ou situa es inesperadas envolvendo m quinas e operadores humanos que acontecem freq entemente numa f brica e que n o podem ser tratadas de maneira autom tica na sua totalidade Estas tarefas envolvem geralmente a supervis o e interfe
5. As premissas para o desenvolvimento deste padr o de programa o foram 1 Reduzir o tempo de desenvolvimento de programas de controle de c lulas com a ado o de blocos funcionais e templates de programa o 2 Adotar uma estrutura de programa o que facilitem a depura o de falhas durante a produ o pela equipe de manuten o 3 Adotar a linguagem SFC como estrutura principal do sistema para reduzir o tempo de modelagem e facilitar a programa o conforme segii ncia de processo 4 Reduzir o tempo de coloca o em funcionamento start up na fase de implanta o 5 Reduzir o custo total do investimento com a automa o 6 Controlador principal com linguagens de programa o conforme a IEC 61131 3 7 Rede de controle da alta performance e imune a interfer ncias eletromagn ticas pr prias em ambientes de processo de soldagem utiliza o de fibra tica como meio f sico 8 Integra o da rede de dispositivos de entradas e sa das de controle de processo e de dispositivos de seguran a 120 9 Desenvolver uma plataforma de automa o que servir para futuras aplica es em novas linhas de montagem de carrocerias automotivas e outras instala es As arquiteturas de software e hardware resultantes deste estudo s o resultantes de uma busca por um sistema dedicado s necessidades da automa o de c lulas de montagem de carrocerias tendo como objetivo a redu o de custo no projeto e
6. aquele que se utiliza do sistema f sico para executar o trabalho de forma a otimizar alguns crit rios como produtividade que deve ser maximizada n veis de trabalho em processo os quais t m que ser minimizados tempo de espera que devem ser reduzidos a zero se poss vel Sistema de manufatura ou sistema de produ o discreta definido por MOREIRA 1993 como um conjunto de atividades e opera es necess rias para a produ o de produtos envolvendo os seguintes elementos insumos o processo de transforma o e os produtos fabricados Uma diferen a marcante de todo sistema de produ o discreta em rela o aos sistemas de produ o cont nua a identifica o de gargalos que s o pontos no processo produtivo onde s o gerados estoques que excedem a produ o local Devido flexibilidade ao alto volume de produ o e ao controle de qualidade exigida atualmente nos sistemas produtivos o comportamento desses sistemas considerado de alta complexidade j que desenvolvem uma s rie de atividades que s o realizadas em forma simult nea e concorrente Al m disso deve se considerar em rela o ao produto final a sua complexidade sua diversidade varia o na quantidade a ser produzida em fun o da demanda e introdu o de novos produtos aos meios existentes Assim a complexidade inerente ser tanto maior quanto mais complexos forem os produtos a serem fabricados quanto mais complexa for a estrutura de produ
7. cio qualquer coisa que n o adiciona o valor ao produto na perspectiva do cliente O TPS um sistema robusto que responde adaptativamente a adversidades internas como problemas de mat ria prima ou variabilidade do produto assim como fatores externos com varia o da demanda Flinchbaugh 1998 Podem se resumir alguns princ pios do TPS que incluem a Tempo de tacto e fluxo cont nuo as opera es devem idealmente seguir o ritmo da demanda de cliente O fluxo cont nuo o ideal construindo uma parte de cada vez que tende a minimizar o desperd cio com todas as opera es que seguem ao tempo do tacto O tempo de tacto o marca passo para o fluxo cont nuo b Sistema puxado Esse sistema usado quando o fluxo cont nuo n o pratic vel Neste caso um ac mulo pequeno mantido entre as opera es e reposto sempre pela opera o anteriores o que consumido pelas opera es posteriores Conceitualmente neste caso a programa o realizada apenas na opera o final e toda a configura o antecedente reabastece ent o o que foi consumido por seu cliente imediato c Nivelamento de produ o Em um ambiente com diversidade de produto e com uma grande varia o na demanda dif cil de administrar o atendimento a n o ser com a utiliza o de um grande invent rio grande de todos os produtos ofertados 46 O TPS trata essas varia es de demanda atrav s da ferramenta chamada heijunk
8. es definidas pelo usu rio uma vez definidas podem ser usadas in meras vezes 8 2 2 Blocos Funcionais FBs Blocos Funcionais s o equivalentes aos circuitos integrados CIs representando uma fun o de controle especializada Estes cont m dados e um algoritmo de modo que preservam os estados passados uma das principais diferen as das Fun es Possuem tamb m uma interface bem definida e escondem o seu conte do tais como os CIs Desta forma os FBs proporcionam uma separa o clara entre diferentes n veis de programadores e equipes de manuten o Uma malha de temperatura PID um excelente exemplo de Bloco Funcional Uma vez definido o bloco pode ser usado in meras vezes no mesmo programa diferentes programas ou mesmo diferentes projetos tornando o altamente reutiliz vel Blocos Funcionais podem ser escritos em qualquer uma das linguagens IEC e em muitos casos at mesmo na linguagem C Neste sentido eles podem ser definidos pelo usu rio Blocos Funcionais Derivados s o baseados nos FBs padr es As interfaces de fun es e blocos funcionais s o descritas da mesma forma 108 FUNCTION_BLOCK Exemplo VAR_INPUT X BOOL Y BOOL END_VAR VAR_OUTPUT Z BOOL END_VAR statements of functionblock body END_FUNCTION_BLOCK Figura 8 3 Exemplo b sico de declara o de um bloco de fun es As declara es acima descrevem a interface para um bloco funcional com dois par metros b
9. o vinculada a esses produtos e quanto mais limitadas forem as liberdades de custos e prazos para a realiza o da manufatura PORTO 1990 Em resumo pode se dizer que o objetivo dos sistemas de manufatura agregar partes para compor diversos produtos os quais precisam seguir uma determinada seq ncia de opera es roteiro de produ o sendo que cada opera o pode ser realizada por uma ou mais m quinas A forma como ser o resolvidos os problemas referentes ao planejamento e programa o da produ o ir determinar a efici ncia do sistema de manufatura como um todo E em ambientes flex veis de produ o como o caso dos sistemas job shop em geral objeto do presente trabalho 33 4 1 Classifica o dos Sistemas de Produ o Existem v rias formas de classificar os sistemas produtivos MOREIRA 1993 PAPADOPOULOS 1993 TUBINO 1997 Dependendo da natureza intr nseca do material a ser transformado e a din mica do fluxo do produto atrav s da f brica por tipo de opera es os sistemas de produ o podem ser classificados em sistemas discretos e cont nuos Sistemas discretos de produ o ou sistemas de manufatura objeto deste trabalho s o sistemas que podem ser classificados a Pelo tipo do processo de transforma o b Pelo volume de produ o No primeiro caso dois tipos de processos de transforma o s o identificados a Processos de montagem assembly onde o produto final for
10. uma ocorr ncia instant nea causando transi es de um valor de estado discreto para outro pode se exemplificar um evento como uma a o espec fica o ligar de um bot o Ou como um resultado de v rias condi es o rob finalizou sua tarefa ou o flu do de um tanque atingiu seu limite m ximo definido ent o um evento como e quando considerado um sistema afetado por diferentes tipos de eventos e um conjunto de eventos como E 20 Diferencia se um sistema tamb m pela forma como acionado seja ele pelo tempo ou por evento ou por eventos que pode se diferenci los a seguir CASSANDRAS 1993 Acionado pelo tempo Neste sistema as transi es s o sincronizadas por um temporizador pulsante clock A cada pulso de tempo um evento pode ou n o ocorrer e o seu estado muda Assim o processo se repete O clock isoladamente respons vel por qualquer transi o do estado de uma vari vel e Acionado por evento Neste caso todo o evento define um processo distinto atrav s do qual determinado o instante de tempo da ocorr ncia As transi es de estado s o as resultantes de uma combina o de ass ncronos e concorrentes processos de eventos Al m disso esses eventos s o necessariamente independentes uns dos outros 3 1 3 Propriedades e caracter sticas de um sistema de eventos discretos SED A partir dessas classifica es pode se definir as propriedades e caracter sticas de um sis
11. volume da produ o e redu o de custos principalmente quando s o empregados os conceitos da automa o flex vel N o podemos esquecer dos fatores de seguran a e insalubridade dos operadores expostos ao trabalho na manufatura manual Pode se citar que os principais motivos para investir em automa o s o Aspectos operacionais e Redu o da a o do homem e Aumento do uso do equipamento sem aumento da m o de obra e Minimiza os atrasos e interrup es provocados pelos operadores e Elimina o de erros de digita o pap is etc e Maior grau de efici ncia e flexibilidade Aspectos de processo e Redu o de perdas de materiais e Elimina o da variabilidade nos processos e Mudar as formula es par metros acrescentar ou alterar receitas e Redu o dos esfor os de valida o Tend ncias para a automa o e Alinhar a estrat gia da automa o com as estrat gias dos neg cios e Atingir objetivos de desempenho tais como Melhor qualidade Maior velocidade Melhor confiabilidade Maior flexibilidade Menores custos 49 50 5 3 O Impacto Social na Implanta o da Manufatura Automatizada Ainda que acarrete a substitui o de m o de obra humana ou mesmo na extin o de uma fun o realizada por um operador a automa o de uma ind stria indicada sempre quando se detecta a necessidade de torn la mais produtiva mais confi vel mais segura do ponto de vista de preservar a
12. 65000 500m 2 5M 1Mbps Foundation PA 1995 TC65 varios fornec alimentados pelo segmentos 5 Mbps barramento Fieldbus barramento fibra e radio nao IS 128 500M 5Mbps 1 850 chip 2 6 5 Mbps InterBus Segmentada com Par tran ado 256 nodos 400m segmento 500 kBits s full Phoenix Contact Outono 1993 DIN 19258 Produtos de drops em T fibra e anel 12 8Km total duplex 400 fornecedores 93 Uma das arquiteturas de rede mais praticadas a que define duas hierarquias de redes rede de troca dados com outros sistemas e c lulas e rede de controle Pode se observar a arquitetura adotada no recente projeto em c lulas de montagem de carrocerias na VW do Brasil Figura 7 7 Rede Geral Nivel RE Rede f Corporativa MM n ae ee EEE EEEE EE ME Switch Cama o a CLP 7 400 t g N vel E Controle a Interbus LWL O CoP Robo Solda Ponto Fase Solda Ponto Fase Solda Pino Tucker Solda Pino Tucker Cola Schucker Cola Schucker Solda Laser Hass Solda Laser Hass Nivel Instala o mca Garra Mavim mes Garra Movirn Alicate Solda Alicate Solda Interbus Cobre Interbus Cobre Fig 7 10 A arquitetura do sistema de automa o de uma esta o autom tica de soldagem H duas arquiteturas de rede principais Rede de controle Interbus vermelho e a rede de dados Ethernet azul utilizada para troca de dados com sistemas superiores 94 7 4 M
13. DE MONTAGEM DE CARROCERIAS AUTOMOTIVAS O processo de manufatura automotiva pode ser subdividido em estamparia Press Shop arma o de carrocerias Body Shop pintura Paint Shop e montagem final Final Assembly A estamparia momento em que s o estampadas as pe as unit rias Na pintura encontram se os processos de tratamento de superf cie fosfatiza o veda o e pintura Durante a montagem final s o agregados todos os itens de acabamento final do produto motor bancos vidros rodas etc Em um processo de arma o ou montagem de uma carroceria automotiva as pe as unit rias met licas s o posicionadas em dispositivos e soldadas entre si formando subconjuntos ex longarinas pain is dianteiro e traseiro refor os das laterais painel interno das portas etc Por sua vez os subconjuntos s o soldados formando conjuntos ex assoalho laterais portas e esses por sua vez formam a carroceria completa Body in white vide Fig 2 1 A jun o ou joining Como A liga o permanente ou uma coloca o em contato de duas ou mais pe as com uma determinada forma geom trica ou at mesmo de pe as com material sem forma definida O termo jun o abrange todos os processos aplicados montagem de carrocerias e n o se resume soldagem Esse termo agrupa com a solda outros processos como por exemplo o uso de adesivos grafagem clinching solda a frio etc Conjunto CARROCERIA COMPLETA
14. Microsoft OLE ActiveX COM Component Object Model e DCOM Distributed Component Object Model 85 Em alguns casos dependendo de seus recursos a IHM pode ser utilizada como ferramenta de programa o da rede do softare de CLP e at mesmo como ferramenta de desenvolvimento de telas de IHM Seguem abaixo alguns exemplos de telas de IHM s utilizadas em c lulas de montagem de carrocerias Figura 7 4 e 7 5 Fig 7 4 Na tela principal uma vis o geral da esta o e as principais informa es de diagn stico para o operador 86 a VOLKSWAGEN xm PLC PLC 1 Unidade DB 101 FB 101 DB101 FKreser o Roboter Handling Start Roboter E Prot wPos mem O Beret FoLGESTART__ Roboter Schweissen EE Fig 7 5 Tela de movimenta o com execu o para movimentos em manual e verifica o da posi o atual dos dispositivos Tamb m poss vel diagnosticar falhas durante a movimenta o 87 7 3 Tecnologia de Rede de Comunica o para Automa o Ao se conceber uma solu o de rede de automa o o primeiro passo considerar a arquitetura geral da c lula organizando seus elementos vitais IHM s CLP s e outros assim como as informa es e a performance esperada Neste contexto devem ser consideradas duas topologias principais A topologia de rede de controle e a de troca de dados com outros sistemas Os pontos mais importantes e que dever o ser verificados na escolha da so
15. Points System descrito na Norma VW 010 55 tem por finalidade garantir que as refer ncias dimensionais sejam id nticas em todas as fases do processo de desenvolvimento do produto e montagem Atrav s da restri o dos 6 graus de liberdade que s o as possibilidades de movimento de um corpo no espa o 3 2 1 tanto para o dimensionamento quanto para a fabrica o e controle de pe as unit rias e conjuntos melhorando assim a qualidade de nossos produtos Esse sistema baseado no Sistema de Coordenadas Globais do ve culo descrito na Norma VW 010 52 cuja origem est localizada no centro do eixo dianteiro definindo a posi o de todos os pontos de todas as pe as e componentes do ve culo Figura 2 7 Sistema de coordenada global 14 Os Pontos de Refer ncia RPS s o definidos por equipes de Engenharia Simult nea SET Simultaneous Enginnering Team compostos por representantes das reas envolvidas com a qualidade do produto Engenharia do Produto Engenharia de Manufatura Qualidade Assegurada Manufatura e sub fornecedores A identifica o dos pontos segue um padr o de denomina o e representa o no desenho que permite que suas fun es sejam identificadas facilmente para determinada pe a e Identifica o do Ponto de Apoio Indica qual o tipo de ponto de apoio do RPS como um apoio principal ou secund rio e quais os sentidos de fixa o que ele assegura para a pe a e Tipos de Apoio Principal S o rep
16. Uma dessas maneiras a an lise da flexibilidade partindo de uma perspectiva de curto e longo prazo dada por Browne GUPTA amp GOYAI 1989 BARAD amp SIPPER 1988 Dentre os principais tipos de flexibilidade tem se 43 2 a Flexibilidade de m quina a capacidade de uma m quina para mudar rapidamente da produ o de um tipo de pe a para outro b Flexibilidade de processo est relacionada com a capacidade dos sistemas de variar os passos necess rios para completar uma tarefa c Flexibilidade de produto a capacidade para mudar r pida e economicamente de um produto para outro d Flexibilidade de roteiro a capacidade do sistema de mudar a seq ncia de visita o de m quinas no caso da quebra de uma delas e continuar produzindo pe as Esta capacidade devida exist ncia de diversos roteiros de produ o ou ao fato de que uma opera o pode ser realizada por mais de uma m quina e Flexibilidade de Volume a capacidade do sistema FMS operar economicamente em diversos volumes de produ o f Flexibilidade de Opera o a capacidade para mudar a ordem das opera es de produ o na fabrica o de um produto g Flexibilidade de Produ o referida capacidade para produzir r pida e economicamente qualquer um dos produtos que um sistema flex vel de manufatura capaz de produzir Um consider vel n mero de estudos foi desenvolvido sobre o gerencia
17. atua o dos elementos que comp em uma c lula como dispositivos de fixa o rob s transportadores e dispositivos de jun o solda adesivos Brazagem etc IAM Sua principal fun o fornecer todas as informa es essenciais e permitir a opera o de todo o sistema ao operador Redes de comunica o Representam a interface de comunica o e controle de todos os elementos na arquitetura adotada 7 1 CLP Controlador l gico program vel Um dos principais elementos de controle de SED utilizado amplamente na ind stria tem sido o CLP controladores l gicos program veis WARNOCK 1997 um CLP definido como um sistema eletr nico de opera o digital desenvolvido para uso em ambiente industrial que possui mem ria program vel para o armazenamento interno de instru es e que implementa fun es espec ficas de l gica seq enciamento temporiza o e aritm tica para controle atrav s de m dulos de E S digitais ou anal gicos de v rios tipos de m quinas ou processos 77 Os CLP s ou PLC s Programmable Logic Controllers s o elementos fundamentais nos sistemas de automa o industriais modernos e s o os elementos de controle principal em uma linha de montagem de carrocerias automotivas De uma forma geral todos os sistemas de automa o industrial tendem a incluir um ou mais CLP s em suas solu es autom ticas No caso de linhas de montagem de carrocerias automotivas comum
18. certos objetivos no caso do controle SVC geralmente corresponde a igualar o valor de certa vari vel f sica vari vel de controle a um valor de refer ncia No caso de controle SED corresponde execu o de opera es segundo um procedimento pr estabelecido Simplifica se ent o os dois modelos de sistemas de controle nos diagramas apresentados nas Figuras 3 5 a e b 30 Dispositivo de controle Variaveis de Processo Atua o Regulador Objeto de Controle Valores de Refer ncia Sinais de Realimenta o Vari veis Controladas a Sistemas de Controle SVC Dispositivo de controle Comandos de Controle Processo Processador de Comandos Objeto de Controle Comandos de Tarefa Estados Vari veis Controladas b Sistemas de Controle SED Figura 3 5 Diagrama conceitual b sico dos sistemas de controle de SVC e SED Neste trabalho devido natureza do processo de controle de c lulas autom tica abordaremos os SED devido necessidade da intera o e sincronismos dos diversos elementos e tarefas presentes no processo de montagem Muito embora a abordagem SVC ser sempre solicitada quando for necess rio um estudo focado nas aplica es do processo de soldagem por exemplo 31 4 INTRODUCAO AOS SISTEMAS DE MANUFATURA Similarmente classifica o dos sistemas de controle SVC e SED pode se tamb m realizar uma classifica
19. do arco e capacidade de constantemente iniciar o arco el trico Equipamentos e acess rios para soldagem Tipo de alimentador do arame tipo de controle interface com o controle do rob tocha de soldagem capacidade precis o dimens es cabos comprimento e montagem ferramentas para alinhamento esta o de limpeza do bocal da tocha esta o do operador e equipamentos de seguran a 12 6 4 2 Aplica o Escolha e Aquisi o de Rob s para Soldagem A escolha de um rob est relacionada com a tecnologia a ele agregada Aconselha se a adquirir aquele que tenha a maior qualidade e a melhor repetibilidade poss vel Atualmente um rob de seis graus de liberdade mais indicado para as opera es em soldagem do que aqueles que t m menos graus de liberdade isso por que mais flex vel consegue alcan ar todos os pontos de seu espa o de trabalho entre os rob s de seis eixos no mercado poss vel optar de acordo com o alcance envelope e a capacidade de carga em kg kilogramas e a precis o IRB 6600ID 185 2 55 5100 3013 Figura 6 3 An lise do envelope de um rob de seis eixos Esta especifica o juntamente com a capacidade de carga e a precis o descreve tecnicamente um rob O conhecimento dessas especifica es b sicas essencial para a determina o de sua aplica o 73 Outro fator importante a seguran a Embora essa responsabilidade na c lul
20. e comumente usado para atender uma necessidade espec fica dos clientes Devido ao grande n mero de tarefas realizadas neste tipo de sistema os equipamentos utilizados na produ o devem ser flex veis para atender aos diversos pedidos dos clientes A produ o de aeronaves ve culos espaciais m quinas ferramentas e equipamentos especiais prot tipos de produtos s o alguns exemplos de Sistemas de Produ o por Encomenda Fabrica es sob encomenda ou lotes reduzidos tais como produ o de s ries especiais e ou limitadas apesar de serem produzidos em poucas unidades e envolver a transforma o de mat ria prima em produtos acabados n o podem ser identificados como jobbing shop pelo fato de n o serem produzidos dentro de uma linha de produ o GROOVER 1987 Estes tipos de produ o realizados em lugares espec ficos fora da f brica s o conhecidos na literatura como sistemas de produ o por projeto TUBINO 1997 ou grandes projetos sem repeti o MOREIRA 1993 A figura 4 2 resume o perfil da evolu o dos sistemas de produ o ao longo do tempo 38 Figura 4 2 Evolu o dos Sistemas de Produ o ao longo do tempo 4 1 4 Sistemas Flexiveis de Manufatura Os conceitos de FMS manufatura SFM ou FMS do ingl s Flexible Manufacturing System devem ser sempre considerados para direcionar os projetos de automatiza o da manufatura automotiva Os FMS s representam o mais alto grau de automa o d
21. est o relacionados ao tempo de soldagem e ao gasto de material Em alguns casos n o poss vel reduzir o comprimento das soldas para compensar esses dois fatores Na maioria dos casos entretanto levando em considera o a estabilidade do rob pode se aumentar as velocidades de intervalo entre os cord es compensando o tempo de soldagem Deve se sempre analisar e focar as vantagens desejadas e proporcionadas com o projeto de automa o Ou seja deseja se aumentar o volume da produ o com a robotiza o do processo de 74 soldagem melhorar a qualidade das pe as ou realizar procedimentos de soldagem com seguran a E finalmente assim como em todo projeto de automa o o retorno do investimento dever ser considerado Em suma h tr s categorias que devem ser sempre consideradas para determinar o que mais importante na aplica o de um processo de solda robotizada o controle de qualidade economia de gastos na manufatura e fatores trabalhistas Esses itens tamb m podem ser decisivos para viabilizar ou n o um projeto de soldagem automatizada por rob s na combina o dessas categorias que encaixam os itens apresentados na Figura 6 4 75 O Projeto das partes A posi o requerida para a opera o de soldagem O acesso da ferramenta de solda as juntas O processo de manufatura das partes a serem soldadas Soldabilidade dos materiais M o de Obra Disponibilidade de operad
22. melhor performance durante a vida til das instala es Podem se citar os principais custos de acordo com as diferentes fazes do ciclo de vida de um projeto de automa o 1 Custos de aquisi o do hardware O investimento com os equipamentos respons veis pelo controle aquisi o dos dados e dos atuadores 2 Custos de planejamento e engenharia A m o de obra para o desenvolvimento do software de acordo com os requisitos do projeto Custos de Instala o 4 Custos de start up coloca o em funcionamento Custos de manuten o e reparo 121 9 1 Descri o do processo A c lula apresentada de baixa complexidade e por isso apresenta de forma mais clara e objetiva as principais caracter sticas da aplica o da arquitetura adotada em c lulas de montagem de carrocerias A Figura 9 1 apresenta o layout da c lula de montagem das longarinas com o assoalho inferior da carroceria A figura 9 2 mostra a instala o opera o 100 onde se observam os dispositivos de fixa o e posicionamento RPS Opera o 100 Fig 9 1 Layout da c lula denominada opera o 100 onde os rob s 100R1 100R2 realizam a aplica o de solda ponto 100R3 solda MIG e o 100R4 aplica o de adesivo estrutural 122 Fig 9 2 Dispositivos de fixa o e controle de dimensional RPS 123 9 2 Arquitetura de controle da c lula PLC CPU Inteface Homen M quina IHM Rede de dados TCP IP O lt lt
23. presented in this work is the structure of the CLP program in two main languages anticipated in the IEC 61131 3 norm The FB Futions Blocks SFC Structured Flow Chart Considering the software architecture it is original as it refers to the use of the SFC language for this type of application and brings advantages in the more accurate diagnosis of flaws when compared with other solutions Another advantage presented in this architecture is unprecedented in the Volkswagen group and it refers to the integration between the net of discrets signals of controll devices and security devices Keywords Automation PLC manufacturing cells assembling welding body in white automotive engineering 2 1 2 2 2 3 2 3 1 3 1 3 1 1 3 1 2 3 1 3 3 2 3 3 4 1 4 1 1 4 1 2 4 1 3 4 1 4 4 1 5 4 2 5 1 5 2 5 3 5 3 1 5 4 5 5 5 6 Sum rio LISTA DE TABELAS LISTA DE FIGURAS LISTA ABREVIATURAS E SIGLAS LISTA DE S MBOLOS INTRODU O Objetivos Organiza o do texto PROCESSO DE MONTAGEM DE CARROCERIAS AUTOMOTIVAS Classifica o dos processos de jun o Cen rio dos pilares b sicos para o projeto da junta de solda Controle dimensional e geometria Conceito RPS Sistema de Pontos de Refer ncia INTRODU O TE RICA AO CONCEITO DE EVENTOS DISCRETOS Conceitos gerais Sistemas discretos no tempo Sistemas de eventos discretos Propriedades e caracter sticas de um SED Resumo da Classifica o dos sistemas de control
24. processo para assim atingir certos objetivos MIYAGI 1996 De fato a id ia de sistema de controle realizar a performance de uma particular fun o Para que a tal fun o seja executada o sistema necessita ser controlado selecionando a entrada correta para conseguir um comportamento desejado Desta forma pode se entender que a entrada de um sistema visto frequentemente como um sinal de controle com o objetivo de obter um comportamento desejado CASSANDRAS 1993 Conceitualmente para um simples escalar pode se representar este comportamento desejado como um sinal de refer ncia r t e a entrada de controle para um sistema real como u t yr t t 3 1 Este relacionamento refere se lei de controle ou simplesmente controle Para o sistema o papel do controlador para uma certa fun o r t selecionar u t y r t t para ser a fun o de entrada Estendendo para o universo de vetores em que m ltiplas entradas s o especificadas t m se 17 u t y r t t 3 2 Onde descreve a coluna vetorial onde as entradas s o fun es u t 7 r t t ua Y r 6t 3 3 Obt m se ent o o seguinte modelo SISTEMA CONTROLE y g x u u t y r t x f xu Figura 3 1 Modelagem de controle de entradas de um sistema 3 1 1 Sistemas discretos no tempo Muito embora o tempo seja uma vari vel cont nua poss vel desenvolver modelos baseados em equa es diferenciais
25. que s o particularmente atrativos do ponto de vista matem tico para se obter um modelo discreto no tempo Caso sejam definidas em um sistema as vari veis de entradas e as de sa da em intervalos de tempo apenas discretos obt m se como resultante um sistema de tempo discreto que a partir desse ponto de vista se diferencia de um sistema cont nuo no tempo H v rias raz es e vantagens na utiliza o deste tipo de modelo das quais pode se citar CASSANDRAS 1993 18 1 Qualquer controlador moderno baseado em microprocessadores possui internamente um temporizador pulsante clock e por sua vez as vari veis s o processadas apenas nesses instantes de tempo correspondentes aos pulsos do clock 2 V rias equa es diferenciais teis para os modelos cont nuos no tempo podem ser resolvidas apenas com a utiliza o de computadores digitais que geram solu es que s o atualmente vers es discretas no tempo de fun es cont nuas no tempo 3 T cnicas de controle digital as quais s o baseadas em modelo discretos no tempo e que oferecem consider vel flexibilidade velocidade e baixo custo Isso tudo devido aos avan os da eletr nica digital e da tecnologia computacional Nos modelos discretos no tempo a linha do tempo representada como uma seqti ncia de intervalos t0 lt tl lt lt tk lt Desta forma sup e se que qualquer intervalo possui o mesmo tamanho T o qual tk 1 tk T para
26. s j anunciam a compatibilidade com a norma IEC 61131 3 entre as descri es t cnicas de seus produtos Por m a grande perspectiva dos usu rios hoje adquirir um sistema de programa o para ser utilizado com qualquer controlador ou at mesmo substituir um controlador de determinado fabricante e utilizar o programa existente no controlador de um outro fabricante Naturalmente as normas devem ser din micas e acompanhar as necessidades e os avan os tecnol gicos Hoje a tend ncia dos sistemas se tornarem mais distribu dos e com mais processamento paralelo Portanto novas normas est o em desenvolvimento tais como a norma de Blocos Funcionais IEC 61499 Novas normas n o ir o substituir a IEC 61131 3 mas sim trabalhar em conjunto complementando se umas s outras 117 8 6 A contribui o da PLCopen para a norma IEC 61131 3 A PLCopen uma associa o mundial de produto independente que foi fundada em 1992 e sediada na Holanda Sua miss o ser lider nas resolu es de t picos relacionados a programa o do controle com a finalidade de dar suporte ao uso dos padr es internacionais Para isso a organiza o criou diversos comit s t cnicos e promocionais Como a associa o PLCopen depende financeiramente das taxas de seus associados permite uma sociedade multi n vel variando de fornecedores aos institutos educacionais PLCopen suporta fortemente a comunidade de usu rios finais e para isso criou c
27. ser totalmente balanceadas 4 1 2 Sistemas de Produ o em Lotes O que diferencia este tipo de sistema da produ o em massa a sua flexibilidade ou seja a capacidade de produzir um grande n mero de produtos de volume m dio do mesmo item ou produto fabrica o intermitente de produtos em quantidades fixas ou lotes Os lotes de produ o podem ser produzidos apenas uma vez ou a intervalos regulares de tempo 36 Neste tipo de sistemas o produto flui de forma irregular de um centro de trabalho para outro sendo os equipamentos utilizados para este tipo de produ o de prop sito geral mas projetados para trabalhar com altos ndices de produ o Estes tipos de equipamentos permitem grande facilidade para realizar mudan as tanto no produto como no volume de produ o o que se reflete numa perda de efici ncia se comparado com os sistemas de produ o em massa Assim este tipo de sistemas apresenta maior flexibilidade diante da produ o em massa mas perde no volume de produ o Conforme mostra a Figura 4 2 dois tipos de sistemas podem ser considerados como pertencentes produ o em lotes Sistemas Flex veis de Manufatura FMS Sistemas de Montagem Flex veis FAS Conforme mostra a Figura 4 2 Sistemas de Montagem Flex veis DONATH and GRAVES 1989 s o sistemas que consistem de um conjunto de produtos cada qual com um volume especifico de montagem e um n mero fixo de c lulas FAS s o caracter
28. um controle preciso de movimento e algumas capacidades de programa o que permitem definir esses movimentos e repeti los Possuem capacidades de entradas e sa das de comunica es o que permite coordenar a es com outros equipamentos e serem integrados com os sistemas informatizados e de gest o existentes na instala o produtiva Os rob s s o equipamentos relativamente caros No entanto a maior parte do esfor o econ mico vai para os equipamentos restantes de uma c lula e que proporcionam o ambiente para a opera o do rob aut matos transportadores sensores inteligentes software etc Necessidade de pessoal t cnico especializado Os rob s retiram determinadas tarefas dos humanos pois as executam com maior efici ncia Mas por outro lado exigem engenheiros especializados para o projeto e desenvolvimento de novas c lulas e oper rios capazes de programar utilizar e manter os sistemas Aumento de complexidade A robotiza o e de uma forma geral toda a automatiza o aumenta a complexidade dos sistemas O grau de complexidade aumenta ainda se incluir mos as tarefas de programa o e sincronismo de tarefas dentro da c lula tendo em vista determinado tipo de produ o As motiva es precisam ainda de ser refor adas nos pr ximos anos com o desenvolvimento de m quinas mais inteligentes mais leves e com elementos flex veis e mais f ceis de programar por exemplo usando um ambiente gr fico integra
29. 519 500 produtos ramifica es pot ncia kbps Linha tronco Par tran ado 64 nodos 1 Mbps Honeywell 1997 Especifica o 6 forn chip drop line para sinal e 126 endere os 500 kbps 250 Honeywell 200 produtos pot ncia kbps 125 kbps submetida ao IEC ISO11989 anel fibra PA 31 25 Kbps 3 4 gt 150 fornec LonWorks Bus anael loop Par tran ado 32000 2000m 78 kbps 1 25Mps Echelon Corp 1992 1996 ASHRAE do Documentacao estrela fibra linha de nodos dominio full duplex BACnet do protocolo alimenta o p blica Bus anel rvore Cabo de dois fios 31 escravos 100 metros 167 kbps AS I Consortium Submetido ao 1 chip forne de estrela 300 com IEC documentacao repetidor p blica CANopen Linha Par tran ado 64 nodos 500 metros 1Mbps 500kbps Philips CiA Margo 1994 6 fornec chips tronco dropline para sinal e 250kbps 100 produtos pot ncia 125kbps ControlNet Linha tronco Coax R6 U fibra 99 nodo 5Km coax 5Mbps Allen Bradley Jan 1994 ControlNet Chips da AB estela arvorePar 30Km fibra International v rios produtos tran ado FiledBus Multidrop com Par tran ado ida 1900m 31 25K 31 25 kbps Fielbus ISA SP50 IEC Chip Sw de Foundation dispositivos 500m 2 5M 1Mbps Foundation TC65 varios fornec alimentados pelo eis 5 Mbps barramento Fieldbus barramento fibra e r dio n o IS 128 500M 5Mbps 1 850 chip 2 6 5 Mbps Segmentada com Par tran ado 256 nodos 400m segmento 500 kBits s full Phoenix Contact Outono 1993 DIN 192
30. 58 Produtos de drops em T fibra e anel 12 8Km total duplex 400 fornecedores 92 Tabela 7 1b Caracter sticas F sicas Informa o de background Wo de dispositivos Maxima rede da tecnologia Introdu o DeviceNet Linha tronco Par tran ado 64 nodos 500kbps Allen Bradley 1992 ISO 11898 amp 6 forn chip drop line com para sinal e 250 kbps 125 11519 500 produtos ramifica es pot ncia kbps Linha tronco Par tran ado 64 nodos 500m 1 Mbps Honeywell 1997 Especifica o 6 forn chip drop line para sinal e 126 endere os 500 kbps 250 Honeywell 200 produtos pot ncia kbps 125 kbps submetida ao IEC 15011989 anel fibra PA 31 25 Kbps 3 4 gt 150 fornec LonWorks Bus anael loop Par tran ado 32000 2000m 78 kbps 1 25Mps Echelon Corp 1992 1996 ASHRAE do Documentacao estrela fibra linha de nodos dominio full duplex BACnet do protocolo alimenta o p blica Bus anel rvore Cabo de dois fios 31 escravos 100 metros 167 kbps AS I Consortium 1984 Submetido ao 1 chip fome de estrela 300 com IEC documenta o repetidor p blica CANopen Linha Par tran ado 64 nodos 500 metros 1Mbps 500kbps Philips CiA Mar o 1994 CIA 6 fornec chips pot ncia 125kbps ControlNet Linha tronco Coax R6 U fibra 99 nodos 5Km coax 5Mbps Allen Bradley Jan 1994 ControlNet Chips da AB trancado FiledBus Multidrop com Par tran ado 240 segmento 1900mM 31 25K 31 25 kbps Fielbus DP 1994 ISA SP50 IEC Chip Sw de Foundation dispositivos
31. 70 Solda a porto resistiva Solda por rada o Laser feixe de el trore Be 60 o Jun o por conforma o afrio 4 clinchen 5 40 g D e 20 O o 10 Q E 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Figura 2 4 Tend ncias nos processos de jun o em carrocerias automotivas produzidas em s rie sem considerar peculiaridades especiais de constru o tais como tipo de carrocerias estrutura monobloco em a o space frame em liga de alum nio ou pe as com concep o multi material IWU 2003 10 Constata se que o uso da solda a laser Figura 2 3d vem aumentando Empresas ja manufaturam produtos com cerca de 20 a 30 metros de solda por carroceria A Figura 2 4 permite observar que a solda a laser tamb m vem substituindo a solda MIG MAG e por solda ponto resistiva IWU 2003 Uma das vantagens da solda a laser o fato dela n o necessitar acesso pelos dois lados da pe a o que implica na diminui o do n mero de refor os da carroceria para obter a mesma resist ncia J que as pe as n o possuem aberturas ou furos para o acesso da m quina de solda diminuindo se o n mero de pe as tem se ent o a diminui o do peso da carroceria A resist ncia e o modo de falhas de um ponto de solda s o caracterizados como fun es principalmente da espessura das chapas resist ncia mec nica do metal di metro do ponto aplicado e do modo de aplica o das cargas sobre esse ponto Observa se que o uso da solda a la
32. CLP Funcionamento de um CLP A Interface Homem Maquina IHM Tecnologia de Rede de Comunica o para Automa o Modelagem e Implementa o de um Sistema de Controle Modelagem e Desenvolvimento de um Software de Programa o A Simula o como Ferramenta de Modelagem e Valida o do Software de Programa o A NORMA IEC 61131 3 COMENTADA Elementos Comuns Tipagem de Dados Vari veis Configura o Recursos e Tarefas Unidades de Organiza o de Programas Fun es Blocos Funcionais FBs Programas Linguagens de Programa o Os benef cios proporcionados pela norma IEC 61131 3 A contribui o da PLCopen para a norma IEC 61131 3 ESTUDO DE CASO Descri o do Processo Arquitetura de Controle da C lula Arquitetura de Software Estrutura Principal em SFC segiiencial flow chart Blocos Funcionais funtion bocks CONCLUS O Refer ncias Bibliogr ficas 59 63 65 69 70 72 76 76 77 81 83 87 94 97 99 101 104 104 104 105 107 107 107 109 112 115 117 119 121 123 124 124 126 128 129 Tabela 3 1 5 1 6 1 6 2 Tl a 7 1 b 8 1 LISTA DE TABELAS Descri o Controle autom tico SED e SVC Sistemas de produ o centrado na tecnologia e no Homem Evolu o dos estoques operacionais Componentes b sicos de um sistema para soldagem robotizada Caracter sticas F sicas Caracter sticas F sicas Divis es da norma IEC 61131 P gina 29 56 66 71 91 92 101 Figur
33. Elimina o de erros e dificuldade de entendimento e Utiliza o de melhores t cnicas de programa o em um ambiente mais amplo ind stria de controle e geral e Combina o de diferentes componentes de programas empresas e at mesmo pa ses Originalmente a norma IEC 61131 3 era fortemente suportada e impulsionada pelos pequenos e m dios fabricantes pois eles eram mais afetados pela falta de padroniza o Devido ao dom nio dos grandes fabricantes europeus americanos e Japoneses os usu rios dos controladores sentiam se inseguros em adotar uma solu o exclusiva de um pequeno fabricante contra um mais representativo que detinha uma padroniza o j difundida no mercado e consequentemente profissionais dispon veis para desenvolver programas Atrav s do apelo de um produto baseado numa norma os pequenos fabricantes sentiram que eles poderiam oferecer uma forte alternativa Num segundo momento os pequenos e tamb m os grandes fabricantes sentiram a necessidade de cooperar quando os usu rios passaram aderir e a exigir normas e padr es Os principais benefici rios da norma no entanto foram os usu rios por causa da possibilidade de trocar de fabricante ou at mesmo lidar com fornecedores diferentes 116 sem grande impacto uma vez que seus profissionais e colaboradores puderam migrar de plataforma mantendo o conhecimento nas linguagens adotadas e aplica es em seus processos Hoje os principais fabricantes de CLP
34. Grampo RPS YP1 Fixar spis n io0vP1 Fro_s TYPLS 125 AR DN foros partida Robos 1 2 3 e 4 EIS Te fom resin Soc Verifica o Modelo 5 portas A T_STuer Dispositivo de posicionamnto da logarina YP3 Avan ar S P3 v N fooparro vi TPI Y Grampos de sujei o YP4 YP5 e YP6 Avan ar n ftoovP4 Fro_vi Cn forse fome T_Spann1 Grampos de sujei o YP7 e YP8 Avan ar e o ese Libera o para Rob s executar programa para tipo 5 portas S_ST_Rob N _100_FrgRobST T_ST_Rob Disp fixa o Longarina YP3 Grampos de sujei o YP4 YP5 YP6 YP7 e YP8 Recuar Pino RPS YP1 Recuar S P1 R _N_ 100vP1 Fro R Fig 9 4 Estrutura principal em SFC Verifica o T_3Tuer Modelo 3 portas Libera o para Rob s executar programa para tipo 3 portas EM 100 E T_3T_Rob 126 9 3 2 Blocos funcionais funtion bocks Os Blocos funcionais exercem um papel fundamental nesta plataforma pois possibilitam a portabilidade e modularidade do programa Uma vez que os blocos funcionais t m seu funcionamento comprovado e depurado poder o ser aplicados em quaisquer instala es sempre que necess rio configurando apenas as entradas e as sa das O resultado final um software de program o mais confi vel e com tempo reduzido para desenvolvimento em novos projetos Nas figuras seguintes 9 5 9 7 e 9 8 s o aprsentados alguns
35. MARCELO RAMOS DE ALBUQUERQUE BARROS ESTUDO DA AUTOMAGAO DE CELULAS DE MANUFATURA PARA MONTAGENS E SOLDAGEM INDUSTRIAL DE CARROCERIAS AUTOMOTIVAS Trabalho de conclus o de curso apresentado Escola Polit cnica da Universidade de S o Paulo para obten o do T tulo de Mestre em Engenharia S o Paulo 2006 MARCELO RAMOS DE ALBUQUERQUE BARROS ESTUDO DA AUTOMAGAO DE CELULAS DE MANUFATURA PARA MONTAGENS E SOLDAGEM INDUSTRIAL DE CARROCERIAS AUTOMOTIVAS Trabalho de conclus o de curso apresentado a Escola Polit cnica da Universidade de Sao Paulo para obten o do T tulo de Mestre em Engenharia rea de concentra o Engenharia Automotiva S o Paulo 2006 Este exemplar foi revisado e alterado em rela o vers o original sob responsabilidade nica do autor com a anu ncia do orientador S o Paulo de de Assinatura do autor Assinatura do orientador FICHA CATALOGR FICA Barros Marcelo Ramos de Albuquerque Estudo da automa o de c lulas de manufatura para monta gens e soldagem industrial de carrocerias automotivas M R de A Barros ed rev S o Paulo 2006 133 p Trabalho de curso Mestrado Profissionalizante em Engenha ria Automotiva Escola Polit cnica da Universidade de Sao Paulo 1 C lulas de manufatura Automa o 2 Carro aria 3 Solda gem 4 Engenharia automotiva I Universidade de S o Paulo Es cola Polit cnica II t A minha mulher Na la e m
36. Modeling and Performance Analysis 1993 CASSANDRAS Christos G Introduction to Discrete Event Systems 1999 CASTRUCCI P L Moraes C C Engenharia de Automa o Industrial LTC Livros T cnicos e Cient ficos Editores S A 2001 CHETTY O V Krishnaiah and GNANASEKARAN O C Modelling Simulation and Scheduling of Flexible Assembly Systems with Coloured Petri Nets The Int J Advanced Manufacturing Technology vol 11 pp 430 438 1996 DICESARE F Harhalakis G Proth J M Silva M and Vemadat F B 1993 Practice of Petri nets in Manufacturing Chapman amp Hall New York first edition 1993 130 DONATH M GRAVES R J and Carlson D A Flexible assembly systems the scheduling problem for multiple products Journal of Manufacturing Systems 1989 Economy Technological Forecasting and Social Change nr 35 pag 167 177 1989 EDLER Dietmar and Ribakova Tatjana The Impact of Industrial Robots on the Level and Structure of Employment in Germany A Simulation Study for the Period 1980 2000 Technological Forecasting and Social Change nr 45 pag 255 274 1994 E VAN DER WAL PLCOPEN website lt www plcopen com gt Acesso em 15 04 2006 FLINCHBAUGH J Winter Using Integrated Management Systems to Design a Lean Factory Center for Quality of Management Journal Vol 7 No 2 p 23 30 1998 GOLDHAR J D What Flexible Automation Means to Your Busin
37. a isto demanda nivelando criando um pequeno entoque intermedi rio de e reabastecendo esse usando uma programa o nivelada O TPS foi um marco t o profundo na organiza o industrial quanto a cria o do modelo de produ o em massa do s culo 19 VAGHEFI et al 2001 Apesar de ser um sistema concebido originalmente para processos manuais de manufatura o TPS prev que praticamente imposs vel uma convers o de um sistema de um sistema de produ o convencional para um sistema enxuto sem um m nimo n vel de automa o Na verdade para o TPS necess rio determinar o n vel ideal de automa o Um n vel baixo de automa o pode representar perda de efici ncia e por sua vez um n vel elevado de automa o injustificado acarreta uma queda na confiabilidade devido complexidade e refletindo em menor dom nio sobre o sistema O n vel de automa o ideal aquele que a manuten o e a opera o n o consomem recursos injustific veis devido a uma maior complexidade e desperd cio de tempo HARIS 2001 Consideram se tamb m as implica es nas rela es de custo benef cio e produtividade qualidade de um sistema automatizado Tal diversidade exige do processo uma grande versatilidade para lidar com diferentes combina es operacionais e funcionais de m quinas ferramentas e segii ncias de processos 47 5 SISTEMAS DE MANUFATURA AUTOMATIZADOS 5 1 Breve hist rico A automa o da manufatura como o uso de
38. a 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 4 1 4 2 5 1 6 1 6 2 6 3 6 4 7 1 7 2 7 3 7 4 7 5 7 6 1 1 7 8 7 9 7 10 7 11 7 12 7 13 7 14 7 15 8 1 LISTA DE FIGURAS Descri o Sequ ncia de montagem dos subconjuntos para a forma o de carroceria automotiva Classifica o dos processos de jun o T cnicas de jun o de carrocerias automotivas Tend ncias nos processos de jun o Cen rio dos pilares base para o projeto da junta soldada Curva representativa do custo X processos de conforma o Sistema de Coordenada Global Exemplo de aplica o do Sistema de Coordenadas RPS Modelagem de controle de entradas de um sistema Cont nuo no tempo e discreto no tempo Compara o entre trilha de amostragem de um SVC e um SED rvore de classifica o de sistemas Diagrama conceitual b sico dos SVC e SED Classifica o de um sistema de produ o discreto pelo volume de produ o Evolu o dos Sistemas de Produ o ao longo do tempo Pir mide da automa o Rob com seis graus de liberdade O investimento com a robotiza o encontra maiores vantagens An lise do envelope de um rob de seis eixos Fatores relevantes para projeto de automa o Arquitetura que representa o modelo em CLP Vista frontal de um CLP e seus principais componentes Execu o c clica de um programa num CLP Na tela principal esta o e principais informa es de diagn stico Tela de movimen
39. a de instru es As fases mais importantes desta segii ncia s o as seguintes Fase 1 Leitura das Vari veis de Entrada Os sensores colocados no ambiente instala o m quina etc transformam grandezas f sicas velocidade posi o movimento press o temperatura etc em sinais el tricos normalizados que s o enviados para o CLP atrav s das entradas e armazenados na sua mem ria de dados Estes dados permanecem inalterados at que esta etapa seja novamente executada Fase 2 Execu o do Programa de Aplica o Nesta fase o CLP tendo em considera o o programa existente em mem ria de programa e as informa es existentes na mem ria de dados executa o programa seguindo instru o a instru o pela ordem porque foram escritas As instru es poder o ser muito diversas variam de CLP para CLP mas compreende tipicamente opera es l gicas transfer ncia de dados entre zonas de mem ria temporiza es e contagens Podem existir tamb m procedimentos mais elaborados tais como a cria o de mensagens que devem ser enviadas para outros equipamentos atrav s dos recursos de comunica o 82 Fase 3 Atualiza o das Vari veis de Sa da No final de cada varredura do programa scan s o transferidos para as sa das os valores das vari veis de sa da resultantes da execu o do programa e que est o contidos na mem ria de dados Estas vari veis s o atualizadas e o CLP passa ao ciclo
40. a rob tica seja da empresa e do operador o rob deve oferecer v rios n veis de seguran a desde o total travamento dos servomotores at a implanta o de barreiras f sicas entre o ele e seu operador passando pela verifica o de seu posicionamento e velocidade pelo programa Para determinar qual rob de soldagem mais indicado para uma planta industrial deve se levar em considera o alguns pontos muito importantes que podem alterar significativamente o projeto original da pe a a ser soldada a No caso de ser um projeto novo leva se em conta a possibilidade de se realizar a soldagem em pontos que d em pe a resist ncia suficiente para utiliza o por m que minimizem tens es residuais distor es elevados campos de temperatura etc Deve se observar a melhoria da toler ncia da pe a e a repetibilidade garantida pelo processo de manufatura das pe as b Dispositivos de fixa o em mesas girat rias onde um conjunto soldado enquanto o outro est sendo montado t m sido muito utilizados A integra o entre esses dispositivos e o rob relativamente f cil de realizar Em alguns casos poss vel optar por sistemas com alguns graus de liberdade que podem ser integrados com o rob Por m quando se aumenta o n mero de graus de liberdade aumenta se tamb m a complexidade da programa o c Finalmente as considera es quanto produ o O n mero total de soldas e o comprimento de cada uma
41. a de Economia Pol tica vol 10 nr 3 39 julho setembro 1990 MAIMON O LAST M FMS control design an information value approach Journal Journal of Intelligent Manufacturing Publisher Springer Netherlands ISSN 0956 5515 Print 1572 8145 Online Pages 123 132 1987 MIYAGI Paulo Eigi Controle Program vel Fundamentos do Controle de Eventos Discretos 1996 MOREIRA Daniel A Administra o da Produ o e Opera es Editora Pioneira S o Paulo 1993 NORMA IEC 1131 3 PLC s Programming Languages Part 3 2003 OLIVEIRA J E L Introdu o a Automa o Robotizada Centro Universit rio Selesiano de S o Paulo Unisal campus Americana Dispon vel em www cptec br stm 4 pdf auto2 pdf Acessado em 01 de setembro de 2004 PAPADOPOULOS H T HEAVEY C and BROWNE J Queueing Theory in Manufacturing Systems Analysis and Design Chapman amp Hall ISBN 0 412 387204 USA PARK E TILBURY D M and KHARGONEKAR P P A Modeling and Analysis Methodology for Modular Logic Controllers of Machining Systems with Auto Hand and Manual Con trol Modes In Proc 2000 American Control Conference Chicago 2000 PAUL R P Robot Manipulators Mathematics Programming and Control The MIT Press Massachusetts 1981 PORTO Jos Vieira Desenvolvimento de um m todo de integra o do planejamento doprocesso de fabrica o e do planejamento e controle da produ o baseado
42. a tecnologia de jun o mais empregada na montagem da carroceria e apesar da amplia o do uso de outras tecnologias ainda amplamente usada na ind stria automobil stica em virtude da simplicidade f cil controle e menor investimento com um produto de qualidade e resist ncia satisfat rias A Figura 2 3 a d apresenta as principais tecnologias atuais de jun o a Fonte Eletrodos de SS solda a ponto Eletrodos de L7 solda a ponto Fonte pecas Eletrodos de Tt pontos de solda pe as l solda a ponto pontos de solda b c Feixe de laser G s de prote o k Avan o do m Feixe transmitido Capilar de vapor d Figura 2 3 T cnicas de jun o de carrocerias automotivas a solda sob press o por conforma o b solda sob press o resistiva com acesso pelos dois lados c solda sob press o resistiva com acesso por apenas um dos lados e d solda a laser Considerando que uma carroceria atual de um autom vel possui cerca de 4500 pontos de solda alguns metros de solda MIG MAG e em alguns metros de cord es ou pontos LASER A Figura 2 4 mostra as tend ncias no uso das diversas t cnicas de jun o de carrocerias no decorrer das ltimas d cadas Pode ser visto uma diminui o da solda ponto por resist ncia e um aumento no uso de outras tecnologias como a jun o por conforma o clinching e solda LASER Solda a gas brasagem dura Solda por arco el trico MIG MAG
43. adotar um CLP seguindo as divis es das c lulas ou seja um CLP por c lula ou por agrupamento de c lulas O que deve ser levado em considera o a complexidade do programa de controle e o n mero de equipamentos que ir controlar por exemplo a quantidade de rob s em determinada c lula Um CLP possui uma arquitetura sistema operacional linguagem de programa o e entradas sa das A sua forma construtiva adapta se perfeitamente utiliza o de aplica es de controle segiiencial em ambiente industrial podem estar sujeitas s varia es de temperatura vibra es pequenas perturba es na alimenta o ru do el trico etc As dimens es f sicas a facilidade de programa o e o funcionamento c clico assegurado por um determinado programa flex vel e moldado ao processo tornam a sua utiliza o cada vez mais atrativa na automatiza o de pequenos e grandes sistemas industriais 71 1 A Arquitetura interna de um CLP Visto que um CLP pode ser considerado como um computador o seu modelo segue de perto o de um sistema computacional Concretamente engloba hardware software dados e procedimentos Assim os elementos b sicos que constituem o modelo de um CLP s o os seguintes a Unidade Central de Processamento CPU b Sistema Operativo c Memoria de programa e de dados d Entradas Inputs e sa das Outputs e Comunica es f Alimenta o Entradas Inputs Digitai
44. al de instrumentos e sensores A Figura 7 6 apresenta um CLP interconectado atrav s de uma rede com m dulos entrada e sa da gl 83008 8888 888 88 88 88188 88 83 88 88 83 88 INTERBUS 7062D001 Figura 7 6 Conex o atrav s da rede entre o CLP e seus m dulos de entrada e sa da 89 Este tipo de rede atende pelo nome gen rico de fieldbus ou barramento de campo que s o divididas em tipos de rede em 3 tipos diferentes Redes de sensores ou Sensorbus s o redes apropriadas para interligar sensores e atuadores discretos tais como chaves limites limit switches contactores desviadores S o exemplos de rede Sensorbus ASI da Siemens Seriplex AN e LonWorks Redes de Dispositivos ou Devicebus s o redes capazes de interligar dispositivos mais gen ricos como CLPs outras remotas de aquisi o de dados e controle conversores AC DC rel s de medi o inteligentes Exemplos Profibus DP DeviceNet Interbus S SDS LonWorks CAN ControlNet ModbusPlus Redes de instrumenta o ou fieldbus S o redes concebidas para integrar instrumentos anal gicos no ambiente industrial
45. alidades para Parte 5 Comunica o comunica o com outros 2000 1 Ed dispositivos Parte 6 Reservada Funcionalidades de software incluindo blocos funcionais Programa o de Parte 7 Controle Fuzzy padr es para tratamento de 2000 1 Ed l gica nebulosa dentro de CPs Orienta o para a aplica o e Orienta es para Parte 8 implementa o dea implementa o das linguagens 2003 2 Ed linguagens de IEC 61131 3 programa o 7 A parte 6 da norma foi prevista inicialmente para Comunica o via Fieldbus aguardando a aprova o da norma LEC 61158 que estava em elabora o Entretanto ap s a aprova o da norma 61158 definindo 8 padr es de rede Fieldbus a IEC decidiu cancelar o desenvolvimento da parte 6 deixando a reservada para uso futuro 102 Entre as subdivis es desta norma destaca se a terceira parte A IEC 61131 3 que ser evidenciada neste trabalho merece um consider vel destaque pois o primeiro esfor o para a padroniza o das linguagens de programa o para a automa o industrial Este trabalho abordar a parte 3 da norma por m as demais partes s o importantes para auxiliar os usu rios na aplica o dos CLP s de forma mais adequada Hoje a IEC 61131 3 a nica norma mundial para linguagens de controladores program veis industriais Na Figura 8 1 observa se o hist rico do esfor o da IEC com rela o a esta norma A n
46. ara facilitar a integra o de novos sistemas aos antigos sistemas legados com tecnologias como OPC OLE for Process Control O padr o OPC apresenta se como uma poderosa ferramenta na automa o industrial pois permite uma configura o simples para o programador das informa es que ser o transferidas do sistema operacional do CLP para outros ambientes em sistemas superiores como as IHM s e sistemas supervis rios ou MES A OPC Foundation um cons rcio independente e sem fins lucrativos que congrega mais de 200 fabricantes e fornecedores de solu es para automa o industrial em todo o mundo Sua miss o como se percebe assegurar a interoperabilidade entre hardware e software de m ltiplos fornecedores na ind stria de manufatura As principais informa es esperadas das IHM s na linha de manufatura de carrocerias automotivas s o descritas a seguir a Diagn sticos de falha b Sele o de modo de trabalho autom tico e manual c Ferramentas para opera es e movimenta es em modo manual d Apresenta o de dados quantitativos e qualitativos sobre a produ o O OPC OLE for Process Control um conjunto padronizado de interfaces propriedades e m todos voltado para aplica es de controle de processos e antoma o da manufatura visando habilitar a comunica o entre diversos dispositivos de monitoramento independentemente do fabricante on do software Os padr es s o baseados nas tecnologias da
47. as c lulas de manufatura A presen a dos computadores e os meios eficazes de comunica o como rede e sua constante evolu o nas ltimas d cadas proporcionaram a implanta o deste conceito nos projetos de automa o da manufatura A tecnologia da informa o respons vel pelo controle dos equipamentos de produ o utilizando se de bancos de dados que s o especialmente implementados com dados de manufatura aliados a sistemas de informa es para o planejamento seqiienciamento e coordena o das opera es de forma integrada Desta forma pode se definir um FMS como uma combina o de equipamentos sistemas de controle e de comunica o integrados na manufatura para um 39 desempenho de alta produtividade com capacidade de respostas de modo rapido e econ mico a mudan as no ambiente operacional Uma das defini es mais citadas sobre FMS um sistema que trata o processamento de dados distribu dos de alto n vel e o fluxo automatizado de material utilizando m quinas controladas por computador c lulas de montagem rob s industriais e m quinas da inspe o Segundo Rembold 1994 um sistema flex vel de manufatura formado por m quinas com comando num rico computadorizado e s o interconectadas para transfer ncia de informa es por um sistema de rede de comunica es e de materiais por um sistema de manipula o troca e transporte de pe as e ferramentas como esteiras ve culos tra
48. ategorias adicionais da sociedade Uma das atividades principais da PLCopen est focada em torno da IEC 61131 3 o nico padr o global para a programa o industrial do controle Destacam se os atuais comit s que a PLCopen patrocina TC1 Normas atrav s de dados coletados do usu rio s o avaliadas poss veis inclus es ou modifica es das normas TC2 Blocos de Fun es define bibliotecas comuns de FB s para diversas reas de aplica es espec ficas Esse trabalho proporciona uma visualiza o e entendimento comum para os usu rios que s o programadores e para equipes de implanta o e manuten o Com m ltiplas implementa es desta biblioteca a reutiliza o de software e a escala dos sistemas de controle s o muito mais f ceis mesmo atrav s de diferentes arquiteturas e marcas de controladores TC3 Certifica o mecanismo para certificar fabricantes e produtos TC4 Comunica o s trabalha na rela o entre a comunica o e as linguagens de programa o tal como o mapeamento do Profibus e CANopen via IEC 61131 5 sobre a IEC 61131 3 TC5 Software de Seguran a prepara recomenda es para a aplica o da norma IEC 61131 3 numa adapta o para aplica es de alta confiabilidade Safety Systems especialmente nas novas normas para sistemas seguros IEC 61508 e 61511 118 TC6 XML Extensible Markup Language em potugu s linguagem de marca o extensivel Este comit t cnico t
49. blocos de fun o espec fico para controle dos dispositivos de jun o no processo de montagem Folge OP 100R4 oo1 M 100 Liber 100Tip 3 Port lo M 100 Liber 400Tip 5 Port Fig 9 5 Bloco de fun o FB ROB FOLGE Sele o de programa para rob conforme tipo a ser produzido 127 100R3 E905 PG1 100R3 MIG1 mProz 100R3 MIG1 PA 100R3 MIG1 Vorw 100R3 MIG1 MxStnMan 100R3 4905 PG1 100Ba FrE 100R3 4843 Single 100R3 4849 PFO byte 2 GlobAnwProz OP 100 R3 MIG1 M_100_Stoe 100R3 MIG1 Stoe PZ 100R3 MIG1 Stoe St 100R3 MIGi Stoe AP 100 Stoe 100R3 PG 100R3 PG 100BA 100BA Meldestruktur eldestruktur Fig 9 6 Bloco de fun o FB ROB MIG MAG Bloco de controle do rob 100R3 na aplica o de solda MIG Schweissent 100R 100R 1 905 PG1 l 100R 1 ssTt mProz 100R1_55T1 PA l 100R1_55T1 Norw l 100R1_55T1 Mx5tnMgn 100R1_S5T1 Stoe_PZ l 100R1 4905_PG1 100R1 A843_Single O bytel OPIOORI SST 100R1_SST1 Stoe_St M_100_Stoe 100R1_S5T1 Stoe_AP 100 Stoe Fig 9 7 Bloco de fun o FB ROB KLEBEN Bloco de controle do rob 100R4 na aplica o de adesivo 128 10 CONCLUS O A busca pela melhor arquitetura de automa o para c lulas de montagem de carrocerias automotivas levou a um trabalho realizado em parceria com a VW do Brasil AUDI GmbH e a Phoenix Contact GmbH que desenvolveram uma estrutura de controle padronizada para servir de plataforma para fu
50. cessos de soldagem com interface com os rob s industriais atualmente existentes s o GMAW gas metal arc welding processo de soldagem com eletrodo continuo sob prote o gasosa tamb m conhecido como MIG MAG GTAW gas tungsten arc welding soldagem TIG LBW laser beam welding soldagem a LASER PAW plasma arc welding soldagem a plasma RSW resistance spot welding soldagem por resist ncia el trica por pontos 70 6 4 1 Soldagem com Eletrodo S lido Cont nuo sob Prote o Gasosa Nesse processo o arco el trico aquece a pe a e o eletrodo arame cujo fornecimento cont nuo fundindo os e formando o metal de solda que distribu do atrav s do movimento da tocha pelo manipulador sobre a junta a ser soldada O equipamento necess rio para o processo inclui uma fonte de energia de soldagem de tens o constante um alimentador de arame interconectado a uma fonte para controle de velocidade do arame uma tocha de soldagem e um sistema de fornecimento de g s de prote o que pode ser uma rede de g s ou um cilindro com reguladores de vaz o do g s Tanto o arco quanto o metal de solda fundido s o protegidos por uma atmosfera de gases g s ativo C02 ou g s inerte arg nio ou h lio ou ainda uma mistura de gases ativo e inerte atrav s da tocha de soldagem Misturas de g s arg nio inerte e CO2 ativo s o frequentemente utilizadas e podem variar de 98 de arg nio e 2 de CO2 at 75 de arg ni
51. ciona tamb m como uma ferramenta de comunica o integrando pessoas de diferentes forma es departamentos e pa ses 112 8 4 Linguagens de Programa o S o definidas quatro linguagens pela norma Isto significa que suas sintaxes e sem nticas foram definidas eliminando a chance de dialetos Uma vez aprendidas poss vel o uso de uma variedade de sistemas baseados nesta norma As linguagens consistem em duas textuais e duas gr ficas a Textuais Lista de Instru es IL e Texto Estruturado ST b Gr ficas Diagrama Ladder LD e Diagrama de Blocos Funcionais FBD Lista de Instru o IL Texto Estruturado ST Diagrama de Blocos de Fun o FDB Diagrama Ladder LD Figura 8 6 As quatro linguagens descrevem a mesma l gica de programa A escolha da linguagem de programa o para um sistema depende da forma o do programador do problema a resolver do n vel da descri o do problema da estrutura do sistema de controle da interface com outras pessoas departamentos 113 Todas as quatro linguagens s o interligadas elas proporcionam uma plataforma comum com uma liga o com a experi ncia existente Neste sentido elas tamb m funcionam como uma ferramenta de comunica o integrando pessoas de diferentes forma es Diagrama Ladder tem sua origem nos EUA e baseia se na representa o gr fica da L gica de Rel s Lista de Instru es a contraparte europ ia C
52. como transmissores de vaz o press o temperatura v lvulas de controle Exemplos IECSP50 H1 HART WorldFIP Profibus PA Atualmente o Standard Fieldbus padroniza 8 familias de redes Figura 7 7 Tipo Nome Comercial Fieldbus mesmo que ANS ISA 50 01 8 Figura 7 7 Standard Fieldbus e as 8 fam lias de redes padronizadas P NET Existe forte tend ncia de todas estas redes venham a utilizar a Ethernet como plataforma b sica num futuro pr ximo e que adotem forte orienta o a objetos atrav s de blocos de fun o Figura 7 8 Controle de Processo Fieldbus DeviceBus Controle L gico Dispositivos Simples Dispositivos Complexos Bit Byte ja Bloco Tipo de Mensagem Figura 7 8 Tipos de redes de campo ARC 2006 Faixa de Aplica o de Redes Neg cio E Controle Profibus PA H v v E 8 a a a 4 g J E e S E E amp m cy o dF S a Seriplex Discreto Aplica es Processo Figura 7 9 Faixa de atua o das redes de campo segundo ARC 2006 As Tabelas 7 1 a e 7 1 b comparam as principais redes de campo quanto s suas caracter sticas fundamentais 90 91 Tabela 7 1a Caracter sticas F sicas Informa o de background Payna oi de dispositivos M xima rede da tecnologia Introdu o DeviceNet Linha tronco Par tran ado 64 nodos 500m 500kbps Allen Bradley 1992 basil 11898 amp 6 fom drop line com para sinal e 250 kbps 125 11
53. dade dada a este tipo de sistema permite lhe ter a capacidade de escolher entre v rios recursos para realizar uma determinada opera o assim como escolher o roteiro que ir seguir o produto al m de um significativo aumento na produtividade Para conseguir estas vantagens que oferece um FMS o programador organiza a produ o os programas e sincroniza a utiliza o das m quinas para permitir a introdu o de novos produtos evitando assim poss veis paradas ou quebras de m quinas com o objetivo de aumentar ao m ximo a utiliza o das m quinas Dentre as muitas vantagens que apresentam os FMS tem se GROOVER 1987 e Aumenta o n vel de utiliza o dos equipamentos e Melhora o n vel de qualidade dos produtos e Reduz o custo de produ o e Reduz o invent rio de trabalho produtos em processo e Reduzo lead time de manufatura e Reduz os tempos de setup e Permite controlar e rastrear produtos ao longo da produ o Problemas concernentes a FMS s podem ser divididos em dois tipos os que s o referentes ao projeto e aqueles relacionados parte operacional Os referentes ao projeto est o mais relacionados com a otimiza o dos componentes do FMS e suas interconex es KUSIAK 1985 41 a Sele o de fam lia de pe as b Sele o de paletes e acess rios fixtures c Sele o dos sistemas de manuseio de material d Sele o do sistema de informa o que liga os v rios m dulos do FMS com o r
54. das permitem a integra o do CLP no seu ambiente de trabalho As entradas asseguram a liga o entre os dispositivos que fornecem informa o do sistema tais como sensores bot es de press o interruptores fim de curso interruptores e detectores de proximidade entre outros Toda esta informa o processada pela CPU seguindo as instru es do programa existente na mem ria do CLP sendo enviados para as sa das os resultados de processamento para que seja acionada a parte ativa do sistema atuadores As sa das do CLP realizadas a rel s transistores ou TRIAC s s o geralmente do tipo tudo ou nada digitais e comportam se como interruptores que podem ligar desligar bobinas de contactores rel s ou eletro v lvulas l mpadas de sinaliza o al m de outros mais DA Sa 4 TE Su SA Figura 7 2 Vista frontal de um CLP ILC 390 Phoenix Contact e seus principais componentes 81 Base Eletr nica Conex o com a rede Bot o de Resset Conex o com a rede INTERBUS rede controle higher level INTERBUS Interface RS 232 Conectores to 3 Terminal de entrada de pontos Conector 4 Terminal de Sa das Conector 5 Terminal pontos para tens o alimenta o Card Holder para Cart o de mem ria de parametriza o O Seletor de modo de opera o BRWN eR O OO ONA 7 1 2 Funcionamento de um CLP Os CLP s t m como fun o a execu o c clica de uma determinada sequ nci
55. do a economias de escala d Baixos tempos de processamento improdutivo e Sistemas balanceados f Grau de diferencia o relativamente pequeno produ o de poucos modelos 35 g Sistemas altamente eficientes e pouco ou nada flex veis h O equipamento geralmente dedicado manufatura de um nico tipo de produto Este tipo de sistema utilizado geralmente por empresas que procuram alta efici ncia e ganhos por economias de escala para se manterem competitivos no mercado Sistemas de produ o em massa costumam ser divididos em linhas de transfer ncia e linhas de produ o ver figura 4 2 a Linhas de transfer ncia s o sistemas altamente automatizados e inflex veis o que limita o n mero de produtos a serem fabricados onde a transfer ncia dos produtos de uma esta o de trabalho para outra realizada em forma s ncrona isto em forma simult nea Neste tipo de sistema os tempos das opera es s o determin sticos as esta es de trabalho s o totalmente automatizadas e o sistema rigorosamente balanceado b Linhas de produ o s o sistemas onde a transfer ncia dos produtos de uma esta o de trabalho para outra feita de forma ass ncrona isto dentro da linha de produ o os produtos se movimentam independentemente um do outro Este fato permite incorporar esta es de trabalho operadas manualmente com varia es no ciclo produtivo Portanto as linhas de produ o n o precisam
56. do e padronizado que permita projetar simular e programar c lulas robotizadas 68 Os custos s o ainda altos principalmente devido falta de pessoal t cnico especializado nas empresas Custo por Unidade Automa o Dedicada Rob Trabalho Manual Zona da Rob tica Industrial Pequena M dia Grande Volume Figura 6 2 O investimento com a robotiza o encontra maiores vantagens para volumes de produ o intermedi rios 69 6 4 Processo de Soldagem Robotizada Soldagem robotizada uma forma espec fica de soldagem autom tica e definida pela AWS como a soldagem feita com equipamento rob manipulador etc o qual executa opera es de soldagem ap s programa o sem ajuste ou controle por parte do operador de solda O primeiro processo de soldagem a ser robotizado foi por resist ncia el trica por pontos RSW surgida na d cada de 70 e foi introduzido inicialmente na ind stria automobil stica Isso mudou completamente a concep o da linha de produ o de autom veis pois a precis o e a produtividade aumentaram significativamente Hoje ainda pode se considerar que este o procedimento mais utilizado no processo de montagem de carrocerias juntamente com a solda MIG MAG GMAW Este processo de soldagem com eletrodo s lido cont nuo sob prote o gasosa GMAW entre os v rios processos existentes o mais utilizado em soldagem robotizada na ind stria Os pro
57. dor mec nico e o objeto a ser trabalhado Os principais fabricantes de rob s industriais oferecem aos usu rios diferentes configura es de manipuladores Entretanto alguns deles se especializaram em produzir rob s para aplica es espec ficas obtendo assim melhores desempenhos operacionais Entre as mais importantes empresas que fabricam rob s industriais encontram se ABB Robotics AB Adept Technology Inc Comau SPA Daihen Co Fanuc Ltd Kawasaki Robotics Inc Kuka Roboter GmbH Motoman Inc Nachi Co e Staubli AG Uma das aplica es mais comuns de rob s industrias a soldagem Aproximadamente 25 dos rob s s o empregados em diferentes aplica es de soldagem Na montagem de carrocerias automotivas os processos de soldagem por resist ncia e brazagem representam aproximadamente 80 do tempo de fabrica o da carroceria bruta A montagem de componentes corresponde a aproximadamente 33 das aplica es de rob s 1997 que s o empregados pelas ind strias automobil sticas e principalmente na rea de montagem de carrocerias A maioria das atividades relacionadas a rob s industriais em processos de produ o envolvem opera es de movimenta o processamento e controle de qualidade 64 A seguir s o apresentadas algumas destas atividades a Movimenta o Movimenta o de pe as entre posi es definidas Transporte de pe as entre esteira transportadora e m quinas operatrizes Carregamento e desca
58. e Conceito de controle autom tico para SVC e SED INTRODU O AOS SISTEMAS DE MANUFATURA Classifica o dos Sistemas de Produ o Sistemas de Produ o em Massa Sistemas de Produ o em Lotes Sistemas de Produ o por Encomenda Jobbing Shop Sistemas Flex veis de Manufatura Flexibilidade nos Sistemas de Manufatura O Conceito TPS Manufatura Enxuta SISTEMAS DE MANUFATURA AUTOMATIZADOS Breve Hist rico Vantagens da Automa o na Manufatura O Impacto Social na Implanta o da Manufatura Automatizada O impacto Social no Brasil A Pir mide da Automa o Industrial Sistemas de Automa o Balanceada BAS N vel de Automa o em Linhas de Montagem AUTOMA O EM MONTAGEM DE CARROCERIAS AUTOMOTIVAS ROBOTIZADAS nN BWR 11 13 13 16 16 17 19 20 24 27 31 33 34 35 37 37 42 45 47 47 48 50 51 53 55 57 59 6 1 6 2 6 3 6 4 6 4 1 6 4 2 7 1 7 1 1 TZ 7 2 7 3 7 4 7 4 1 7 4 2 8 1 8 1 1 8 1 2 8 1 3 8 2 8 2 1 8 2 2 8 3 8 4 8 5 8 6 9 1 9 2 9 3 9 3 1 9 3 2 10 11 Defini es de Rob s Industriais Aplica es de Rob s Industriais Sistemas Flex veis de Produ o e Rob tica Processo de Soldagem Robotizada Soldagem com eletrodo s lido cont nuo sob prote o gasosa Aplica o Escolha e Aquisi o de Rob s Para Soldagem A arquitetura de automa o de c lulas de montagem de carrocerias automotivas CLP Controlador l gico program vel A Arquitetura de um
59. e controle devem evoluir em fun o das entradas de atua o e como combinar os estados destes elementos para resultar nos passos desejados como sa da Na tabela 3 1 abaixo observa se um quadro comparativo das duas principais classes de controle autom tico Tabela 3 1 Controle automatico SED e SVC 29 Controle SVC Em geral o objeto de controle trabalha com vari veis cont nuas isto manipula informa es cont nuas Efetivo para o controle de vari veis f sicas como os flu dos na ind stria de processos Envolve conceitos de controle com realimenta o negativa de controle de malha fechada Pode ser considerado um tipo de controle quantitativo A estrutura de controle geralmente em malha fechada Controle SED Em geral o objeto de controle trabalha com estados e eventos discretos isto manipula informa es discretas Imprescind vel para o controle de processos que ocorrem por exemplo na ind stria mec nica Envolve o controle qualitativo e o processamento do comando de controle A estrutura de controle n o necessariamente em malha fechada O Conceito de Sistemas de vari veis cont nuas SVC e vari veis discretas SED tem sua import ncia no papel de controle industrial Por m apesar da grande experi ncia acumulada nas aplica es pr ticas a sistematiza o e a base te rica de SED ainda s o muito incipientes quando comparadas com SVC Satisfazer
60. e um manipulador SPONG 1989 Tipicamente um manipulador deve possuir no m nimo 6 graus de liberdade independentes tr s para posicionamento e tr s para orienta o do efetuador final Um manipulador com menos de 6 graus de liberdade n o consegue atingir todos os pontos de seu espa o de trabalho com uma orienta o arbitr ria Figura 6 1 J um manipulador com mais de seis graus dito redundante pois pode atingir qualquer ponto com uma orienta o arbitr ria atrav s de infinitas configura es Figura 6 1 Rob com seis graus de liberdade componente b sico de um sistema flex vel para soldagem de carroceria 63 6 2 Aplica es de Rob s Industriais A pr pria defini o de rob industrial j fornece uma id ia das variadas aplica es que podem ser realizadas com esse equipamento um manipulador multifuncional reprogram vel projetado para movimentar materiais partes ferramentas ou pe as especiais atrav s de diversos movimentos programados para o desempenho de uma variedade de tarefas J foi dito que as caracter sticas operacionais de um rob industrial dependem essencialmente de sua configura o das indica es de desempenho apontadas nos cat logos dos fabricantes e das tarefas planejadas a serem realizadas Para cada tarefa geralmente se faz uso de diferentes atuadores os quais s o selecionados especialmente para promover a correta intera o entre a extremidade terminal do manipula
61. em uma planta industrial A seguir realizada uma breve descri o de cada um dos n veis da pir mide N vel 1 E o n vel das m quinas dispositivos e componentes ch o de f brica onde a automa o realizada pelo controlador program vel e seus perif ricos Ex linhas de processo de soldagem robotizadas transportadores N vel 2 Sua caracter stica ter algum tipo de supervis o associada ao processo o n vel onde se encontram concentradores de informa es sobre o N vel 1 e as Interfaces Homem M quina IHM Ex IHM de opera o de uma c lula de montagem de portas automotivas sala de supervis o de um laminador N vel 3 permite o controle do processo produtivo da planta Normalmente constitu do por bancos de dados com informa es dos ndices de qualidade da produ o relat rios e estat sticas de processo ndice de produtividade algoritmos de otimiza o da opera o produtiva Ex Avalia o e controle da qualidade de dimensional de medi o on line de carrocerias N vel 4 o n vel respons vel pela programa o e planejamento da produ o realizando o controle e a log stica dos suprimentos Ex controle de suprimentos e estoques em fun o dos fornecedores gerenciamento de cadeia de fornecedores just in time 54 Nivel 5 o n vel respons vel pela administra o dos recursos da empresa em que se encontram os softwares para gest o de vendas e gest o financeira
62. ess Modern Material Handling Vol 39 No 7 September 1984 GROOVER Mikell P Automation Production Systems and Computer Integrated Manufacturing Prentice Hall Englewood Cliffs NJ 07632 1987 GUPTA Yash P and Goyal Sameer Flexibility of Manufacturing Systems Concepts and measurements European J of Operations Research vol 43 n 2 pp 119 135 1989 HARIS Rick 2001 Criando o fluxo cont nuo IFR Federa o Internacional de Rob tica World Robotics 2000 editado pela e pela ONU Organiza o das Na es Unidas 2000 ISHTANI Hisashi KAYA Yoichi Robotization in Japanese Manufacturing Industries Technological Forecasting and Social Change nr 35 pag 97 131 1989 IWU Fraunhofer Institute Annual Report 2003 Chemnitz Alemanha 2003 J K LARSON The use of Nd YAG lasers in future automotive applications in M Geiger F Vollertsen Eds Laser Assisted Net Shape Engineering 2 Proceedings of the LANE 97 Meisenbach 1997 KUSIAK A Flexible Manufacturing Systems A Strutural approach Int J Production Research vol 23 n 6 pp 1057 1073 1985 131 LEWIS RWI Programing Industrial Control Using IEC 1131 3 IEE CONTROL 1995 MAGALH ES C cero C de Engenharia de automa o Industrial 2001 MARQUES Rosa Maria O impacto da automa o microeletr nica na organiza o do trabalho em duas montadoras brasileiras Revist
63. esto dos m dulos da f brica automatizada e Layout do FMS Aqueles referentes parte operacional est o mais relacionados com a utiliza o do FMS e incluem SURI and WHITNWY 1984 a tamanho dos lotes b balanceamento da carga de trabalho c planejamento de longo e m dio prazo d programa o e execu o e gerenciamento das ferramentas f respostas a mudan as na demanda g rea o a quebra ruptura de recursos Considerando que os FMSs utilizam para o seu funcionamento uma s rie de recursos relacionados entre si que requerem um alto investimento as decis es envolvidas nas etapas de projeto e opera o s o consideradas complexas Portanto importante planejar projetar e operar um FMS t o eficientemente quanto poss vel Sendo assim faz se necess rio selecionar alguns m todos que permitam a modelagem e an lise de tais sistemas e que tenham capacidade de suportar a sele o de bons projetos e pol ticas operacionais Devido grande flexibilidade que apresentam os FMS s que lhes permite escolher entre diversos recursos m quinas multifuncionais rob s assim como diversos roteiros a serem seguidos para a fabrica o de produtos permitindo assim um aumento na produtividade Estes sistemas imp em um problema desafiador que se traduz na correta aloca o dos recursos aos diversos processos requeridos para 42 produzir uma gama de produtos assim como a programa o da seqii ncia das a
64. eu Produto Nacional depende essencialmente das suas instala es de produ o a riqueza cultivada ou extra da emprega tipicamente menos de 10 da popula o ativa e contribui muito pouco para a riqueza nacional PIRES 2002 Por isso os sistemas de produ o atuais s o cada vez mais sistemas flex veis A automatiza o r gida que caracterizou as d cadas 50 80 denominado per odo de ouro para a produ o industrial constitu da por m quinas dedicadas de elevada capacidade de produ o n o se adapta aos novos tempos Atualmente a enorme diversidade de produtos o desaparecimento das fronteiras comerciais aliada exig ncia de maior qualidade e de menor pre o torna o ciclo de vida dos produtos muito curto Assim as empresas funcionam geralmente com produ es em pequena m dia escala small medium batch manufacturing em que a defini o do produto feita muitas vezes pelo cliente job shop manufacturing Isso incompat vel com sistemas de produ o r gidos direcionados para produ o em larga escala de um determinado produto ou tipo de produto Para al m disso as caracter sticas de mercado favorecem a denominada Zona da Rob tica e por isso que se tem assistido a uma robotiza o crescente das estruturas produtivas Na tabela 6 1 observamos a crescente evolu o dos estoques operacionais de rob s 66 Tabela 6 1 a Evolu o dos estoques operacionais desde 1995 a 1999 com previs o para 2003
65. faces de IHM e de dados para o sistema de supervis o 98 An lise dos problemas de controle de cima para baixo top down quebrando os em parti es l gicas Defini o dos blocos funcionais necess rios Defini o dos tempos de ciclo scan exigidos pelas diferentes partes da aplica o Configura o do sistema atrav s da defini o dos recursos conex o dos programas com as entradas e sa das f sicas e associa o dos programas e blocos funcionais com as tarefas A norma IEC 61131 3 vide capitulo 8 oferece suporte especialmente aos ltimos 4 passos apresentados onde ocorre a transi o da modelagem para o software Al m dos sete passos h alguns princ pios gerais que devem ser usados para a otimiza o d o m todo de estrutura o a b c Nao recomendado utilizar endere amento absoluto Trabalhar com endere amento simb lico traz vantagens em caso de modifica es ou adapta es de endere amento haver um ambiente adequado s mudan as al m de possibilitar a reutiliza o do c digo em outras instala es N o utilizar jump s melhor transpar ncia em futuras modifica es depura o de erro e manuten o Nomear os blocos de fun o e as rotinas com a descri o de sua fun o no sistema e ou na instala o novamente melhor transpar ncia em futuras modifica es depura o de erro e manuten o 99 7 4 2 A Simula o como Ferramenta de Modela
66. fase de explora o tratam dados ambientais com origem em sensores e outros dispositivos de entrada e dados armazenados internamente como por exemplo vari veis de estado temporiza es contagens Desse processamento executado de acordo com o software de aplica o que gerido pelo sistema operacional resultam dados a serem enviados para o ambiente e ou a armazenar internamente Durante a fase de programa o fun o dos recursos de processamento tratar e armazenar o software de aplica o As fun es de comunica o permitem a troca de dados de um CLP com outros sistemas computacionais Na fase de programa o as fun es de comunica o permitem que um CLP se comunique com as interfaces de programa o A interface permite ao programador desenvolver e implementar o software de programa o garantindo que outros profissionais se utilizem desse recurso durante todo o ciclo de vida do software O ciclo de um software pode ser determinado de acordo com 1 Especifica o Projeto Implementa o 2 3 4 Teste 5 Implanta o 6 Manuten o Dependendo do tipo de CLP podem existir portas seriais RS 232 e RS 485 redes de campo CAN profibus Interbus etc ethernet TCP IP etc 80 S o essas as fun es que permitem ao operador ou utilizador do sistema solicitar determinados servi os e obter informa es relativas ao estado do sistema controlado Os circuitos de entradas sa
67. ferramenta o software de programa o do CLP depurado e testado antes mesmo da fase de start up Na figura 7 15 a seguir apresenta se um exemplo de utiliza o desta ferramenta Software de C lula Virtual programa o EP virtual a i pi CLP Real HMI Real I PLATAFORMA OPC Figura 7 15 Ferramenta de modelagem e simula o do programa de CLP integrado com a ferramenta de simula o da c lula de montagem de carrocerias A integra o do simulador da c lula com o simulador do CLP 101 8 A NORMA IEC 61131 3 COMENTADA Com o intuito de criar padr es para o controle industrial a IEC International Electrotechnical Commission criou a norma intitulada IEC 61131 que na verdade a ltima vers o de um agrupamento de v rias normas que est o sendo desenvolvidas ao longo dos anos Possui a seguinte divis o de acordo com a tabela 8 1 Tabela 8 1 Divis es da norma IEC 61131 Parte T tulo Conte do Publica o Defini o da terminologia e Parte 1 Vis o Geral conceitos 2003 2 Ed Esta Test verifica Exig ncias do Hardware Si de RR Parte 2 fabrica o eletr nica e 2003 2 Ed e testes ao mec nica Er Estrutura do software do CP Parte 3 Bee linguagens e execu o de 2003 2 Ed Programa o programas Orienta es para sele o Parte 4 Diretrizes ao Usu rio instala o e manuten o de 2004 2 Ed CPs Funcion
68. gem e Valida o do Software de Programa o Como ferramenta utilizada para modelagem e valida o da l gica do software de programa o do CLP durante a fase de implanta o esperado que se utilize do aplicativo de simula o Fig 7 11 Neste exemplo apresentado o S7 PLC SIM ferramenta de simula o da SIEMENS para os CLP s da fam lia S7 fem S7 PLCSIM SimView1 File Edit View Insert PLC Execute Tools Window Help DR u 1 r RUN STOP Fr stop MRES ii LAD STL FBD OB1 File Edit Insert PLC Debug View Options Window Help oella S Jeje ol cf Po E Udo E ES AHH O il ay pe m OB1 Testproject_FB S7 Program 1 DB_ZP_MO a meo qt 10BE13 disse E offline Abs Nw1 Ln 7 Press F1 to get Help Figura 7 14 A utiliza o do software Esta ferramenta pode ser utilizada para a valida o da l gica do programa de CLP Neste exemplo apresentado o aplicativo S7 PLC SIM Uma tend ncia em mat ria modelagem e simula o do programa de CLP a utiliza o de aplica es que integram a simula o da l gica do CLP com as ferramentas de simula o da c lula em uma nica ferramenta de simula o Esta ferramenta proporciona grandes vantagens durante a fase da modelagem proporcionando a integra o dos principais elementos numa c lula de montagem de carrocerias automotivas ainda na fase de modelagem O produto final do uso desta 100
69. ias demandam uma abordagem de controle baseado em sistemas de eventos discretos SED e de modelagem de controladores l gicos program veis CLP Esta necessidade d se principalmente pela caracter stica sequencial do processo de movimenta o e acondicionamento de pe as e da jun o das partes das carrocerias A IEC 61131 vem tratando ao longo dos anos da normaliza o dos controladores program veis com o objetivo de trazer aos diversos fabricantes de controladores diretrizes para o desenvolvimento de produtos com plataformas abertas A terceira parte desta norma IEC 61131 3 merece not rio destaque pois apresenta as diferentes caracter sticas de cada linguagem A import ncia do entendimento desta norma neste trabalho tem car ter did tico para a compreens o da complexidade da programa o de sistemas autom ticos e a import ncia de investimentos na prepara o de profissionais capacitados para a escolha da linguagem de programa o mais adequada para a execu o de projetos de arquitetura de softwares com qualidade Apesar da crescente evolu o de outras arquiteturas de hardware para solu o de sistemas de controle discreto os controladores program veis s o as mais confi veis devido robustez e estabilidade em ambientes industriais O avan o tecnol gico proporcionado pelos fabricantes de CLP trouxe a possibilidade de operar instala es complexas com uma grande quantidade de entradas e sa das e de interfaces co
70. inha filha Beatriz pelo amor incentivo e compreens o AGRADECIMENTOS Ao meu orientador Prof Dr Gilmar Ferreira Batalha agrade o pelos conselhos e ensinamentos pela aten o e paci ncia dedicados a mim sem os quais o presente trabalho n o se concretizaria Volkswagen e a Phoenix Contact do Brasil por permitir a publica o dos dados e informa es contidas neste trabalho Aos tios Stella e Victor Simone e Beto que pacientemente me receberam em seus lares durante o curso RESUMO Zz A proposta deste trabalho apresentar uma solu o de arquitetura de automa o padronizada para controle de c lulas de montagem de carrocerias automotivas de baixo custo e de alta performance Obteve se o resultado ap s a an lise das propostas dos principais fabricantes de tecnologias de CLP s e redes de comunica o e controle comparando se as recentes instala es em algumas plantas da rea automotiva Apesar dos resultados financeiros ainda n o serem atestados at a data de publica o deste trabalho as vantagens t cnicas poder o ser comprovadas A busca por essa arquitetura de controle foi motivada pela implanta o da nova fam lia de ve culos intitulada VW 23x Entre as caracter sticas da arquitetura apresentada est a estrutura o do programa de CLP nas duas principais linguagens previstas na norma IEC 61131 3 a SFC Sequenciamento Gr fico de Fun es e a FB Blocos Funcionais A estrutura o da arquite
71. integra o de unidades para treinamento socializa o coopera o e acesso informa o participa o na tomada de decis es e autocontrole Com a evolu o dos sistemas produtivos um amplo conjunto de tarefas tem sido automatizado deslocando os operadores para o pr e p s processamento das m quinas Uma raz o para isto a relativa redu o dos custos de computadores e de m quinas automatizadas comparadas com os custos de treinamento e manuten o de operadores devidamente qualificados No entanto o conhecimento experi ncia e habilidades humanas s o caracter sticas que na maioria das situa es dependem de m todos n o triviais para serem estruturados e ou reproduzidos Baseado neste fato imprescind vel que o planejamento de sistemas produtivos considere al m dos aspectos tecnol gicos o conjunto dos recursos humanos e a estrutura organizacional da empresa Wobbe 91 57 5 6 Nivel de Automa o em Linhas de Montagem de Carrocerias O m todo de gradua o do n vel de automa o em um processo de produ o muito particular para cada rea de manufatura e mesmo para processos similares n o h normaliza o ou regras estabelecidas H ainda varia es entre empresas pertencentes aos mesmos setores da ind stria Focando no nosso estudo pode se citar que os crit rios para a escolha do n vel de automa o de um processo de montagem de carrocerias automotivas le
72. integridade f sica do homem Em TORII 1989 analisado o n mero de trabalhadores substitu dos por rob s na ind stria automobil stica e eletr nica na Cor ia do Sul Nas empresas entrevistadas o n mero de trabalhadores substitu dos por um rob de dois Entretanto TORII 1989 ressalta que enquanto na ind stria automobil stica os processos foram totalmente robotizados e nenhum trabalhador foi mantido na opera o na ind stria eletr nica em m dia metade ou um ter o dos trabalhadores foi mantido no processo ap s a introdu o do rob TANI 1989 exp e o principal uso dos rob s em fun o dos pa ses Verifica se que na Europa e EUA os rob s foram usados principalmente na ind stria automobil stica enquanto no Jap o estes foram usados principalmente na montagem de componentes eletr nicos TANI conclui que esta diferen a foi um fator chave para o avan o do Jap o na rob tica pois proporcionou que os mesmos passassem a produzir componentes eletr nicos mais baratos e adquirissem uma vantagem comparativa em rela o aos EUA e a Europa No Jap o uma an lise SAITO e NAKAMURA 1989 dos efeitos diretos e indiretos do uso de rob s na economia japonesa indica que no per odo de 1985 1990 com a introdu o de 155 mil rob s no Jap o 71 mil empregos foram eliminados como efeito direto Por outro lado como efeito indireto 48 mil empregos foram gerados ligados a ind stria de rob s e aumento de investimentos ligado
73. interno das m quinas dispositivos e processos envolvendo somente vari veis cont nuas realiza se o controle quantitativo e Controle quantitativo Onde o conte do dos comandos de controle possui uma quantidade infinita de informa es isto informa es anal gicas e ou informa es cont nuas e Controle qualitativo N mero finito muitas vezes bin rio de informa es isto informa es discretas e ou informa es digitais O controle de SVC uma das t cnicas mais efetivas para a implementa o do controle quantitativo Esta t cnica utilizada para controlar sistemas que possam ser governados atrav s de valores mensur veis como a velocidade de rota o de um servomecanismo ou o volume de l quido em um tanque No controle de SVC o valor real atual da vari vel constantemente comparado ao valor de refer ncia isso para que a vari vel f sica velocidade torque temperatura for a posi o campo eletromagn tico etc mantenha ou atinja o valor desejado 1 As informa es quantitativas referem se ao estado de vari veis cont nuas que modelam o comportamento din mico de SVCs As informa es qualitativas referem se aos estados discretos que modelam o comportamento din mico de SEDs 28 A teoria de controle de SVC bem sistematizada e muito aplicada pois muitos objetos de controle podem ser considerados de natureza cont nua e linear ou podem ser linearizadas No controle de SVC v rios c
74. ito pequeno em rela o ao custo da m o de obra nos pa ses desenvolvidos Nos anos 80 o custo com m o de obra direta representava menos que 5 do custo total do ve culo para as montadoras brasileiras O sal rio pago no Brasil ficava em torno de 20 de um sal rio pago nos pa ses desenvolvidos TAUILE 1986 Tauile argumenta em seu trabalho que o tempo de pagamento pay off time de um rob nos anos 80 era de 32 anos inferior a sua vida til estimada em 10 anos No que se refere a acordos trabalhistas n o existe aqui a rigidez encontrada nos EUA e na Europa em rela o a for a de trabalho MARQUES 1990 p g 66 No Brasil comum os operadores serem deslocados de fun o quando h nisso interesse da empresa 52 Sobre o papel dos sindicatos cabe ainda ressaltar que durante o per odo da ditadura estes tiveram pouco poder de press o sobre as empresas contribuindo para que o controle da empresa sobre o trabalhador fosse muito mais forte no Brasil que em pa ses que viviam uma democracia O que de fato levou as montadoras a se automatizarem foi a estrat gia mundial adotada pelas matrizes Nos anos 80 as montadoras lan aram o conceito de carro mundial um autom vel que seria produzido em partes ou uma nica planta mas teria como destino a comercializa o internacional Al m do carro mundial ocorreria a especializa o de algumas filiais na produ o de alguns componentes Com isso surgiu nas plantas brasi
75. izados principalmente por possu rem linhas de montagem n o balanceadas ou ass ncronas isto implica no fato do ndice de produ o n o ser fixo os tempos de processamento das opera es variam de uma esta o para outra ou o ndice de produ o fixo mas n o necessariamente o mesmo ndice para todas as esta es de trabalho CHETTY and GNANASEKARAN 1996 Nos FAS as esta es de trabalho s o separadas uma da outra e trabalham a ndices diferentes daquelas de uma linha de montagem convencional O fato das esta es de trabalho ficarem separadas faz com que as tarefas jobs permane am nas esta es at que o trabalho seja totalmente completado Nos FAS os tempos de processamento diferem de uma esta o para outra o que pode resultar em varia es aleat rias nos ndices de trabalho performance das m quinas Uma outra caracter stica importante dos FAS a sua flexibilidade de opera o isto os trabalhos podem ser direcionados 37 para qualquer c lula de trabalho capaz de realizar uma mesma opera o e em casos de reparos ou quebras nas m quinas os trabalhos podem ser redirecionados 4 1 3 Sistemas de Produ o por Encomenda Jobbing Shop A principal caracter stica deste tipo de sistema o baixo volume de produ o isto os tamanhos dos lotes de manufatura s o pequenos frequentemente um de cada tipo Este tipo de produ o conhecido tamb m como produ o individual MOREIRA 1993
76. leiras a necessidade de produzir segundo padr es de qualidade mais r gidos tais quais os internacionais Agora duas ou mais filiais deveriam ser capazes de produzir o mesmo tipo de ve culo a mesma pe a dentro das mesmas toler ncias A produ o n o poderia continuar com oscila es na qualidade do que era produzido era necess ria uma padroniza o uma uniformidade Tal padroniza o segundo a decis o da matriz seria obtida com o uso de m quinas com a automatiza o Os padr es de qualidade do mercado internacional orientaram a automa o das montadoras no Brasil as principais reas automatizadas foram na montagem de carrocerias a pintura e a fundi o Cabe destacar que no caso dos processos de pintura e brazagem durante a montagem de carrocerias a automa o muito justificada nos pa ses desenvolvidos por ser uma atividade insalubre Entretanto no Brasil somente a pintura externa foi automatizada j que esta deveria atender aos requisitos de qualidade A pintura interna e inferior do autom vel foi mantida na forma manual Ou seja a elimina o de postos de trabalho insalubres no Brasil n o foi uma das raz es para a automatiza o dos processos MARQUES 1990 53 5 4 A Pir mide da Automa o Industrial A automa o industrial exige a realiza o de muitas fun es A Figura 5 1 representa a chamada arquitetura da automa o industrial com os diferentes n veis de automa o encontrados
77. lu o de rede a ser adotada s o b c d e g h Quais as distancias entre os elementos interligados pela rede Qual o lay out da instala o industrial Existe necessidade de um sistema de backup Em que n vel do sistema Quais s o as condi es ambientais Existe campo magn tico intenso nas proximidades Existe interfer ncia eletromagn tica Esse item merece uma aten o especial considerando c lulas de montagem de carrocerias com a utiliza o de solda ponto ou a arco Os clientes operadores manutencistas e engenheiros est o familiarizados com as novas tecnologias de redes de campo para controle de compartilhamento e de troca de dados Quais as necessidades dos dispositivos em rela o da velocidade de transmiss o de dados Qual a capacidade de expans o dos m dulos prevista para os pr ximos anos Existe prefer ncia quanto ao atendimento aos padr es internacionais ou por redes propriet rias 88 Os CLP s s o usados para controlar sa das digitais ou anal gicas de acordo com a leitura de sensores discretos ou digitais assim como os valores dos instrumentos anal gicos De forma convencional os sinais de campo s o conectados aos cart es de entrada e sa da dos CLPs Os sinais discretos s o codificados na faixa de O a 24VCC ou 0 110VAC ou 0 220VAC J os sinais anal gicos s o geralmente codificados na faixa de O a 20 mA ou de 0 10V Outra alternativa o uso de uma rede digit
78. m outros sistemas em um nico controlador exigindo em sua programa o uma arquitetura de f cil manuten o e possibilidade de altera es e otimiza es do processo controlado Atualmente os modelos utilizados para representar tais solu es m quinas de estados hier rquicas Redes de Petri ou outras diferem muito substancialmente das metodologias e linguagens de programa o mais comuns dos CLP s diagramas de contactos lista de instru es etc Estas por m est o estabelecidas em processos de modelagem razoavelmente limitados e por isso evitados no contexto do controle moderno de sistemas de eventos discretos A normaliza o do SFC Sequential Flow Chart prevista na IEC International Electrotechnical Committee como linguagem de modelagem de solu es de controle sequencial uma tentativa de facilitar esta tarefa O SFC descreve graficamente o comportamento seqiiencial de um programa de controle O SFC estrutura a organiza o interna do programa e ajuda a decompor o problema de controle em partes gerenci veis enquanto mant m a sua vis o geral 1 1 Objetivos O que se deseja com esse trabalho apresentar uma aplica o pr tica da arquitetura de automa o composta por CLP s e IHM e redes de controle Esta arquitetura servir como padr o em c lulas autom ticas de montagem de carrocerias automotivas desenvolvidas nos conceitos modernos de sistemas de produ o e utilizando ao m ximo a dis
79. m quinas CNC s rob s c lulas flex veis de manufatura e o uso de CAD e CAM iniciou se no final dos anos 60 e sua difus o no final dos anos 70 nos pa ses desenvolvidos devido aos seguintes fatores TCHIJOV 1989 1 Mudan a do paradigma das empresas de produ o em massa para produ o flex vel em lotes 2 Aumento da import ncia da qualidade nos itens produzidos aliada a produ o de pe as de maior complexidade exigindo a substitui o do controle humano pelo controle do computador 3 Resist ncia social dos trabalhadores dos pa ses desenvolvidos em rela o a tarefas mon tonas trabalhos repetitivos t picos da produ o em massa Isto gerou em pa ses como o Jap o um aumento consider vel dos sal rios para trabalhos com pouca qualifica o Por m o fator preponderante na decis o de compra de um equipamento para a automatiza o de uma tarefa foi e ainda o custo da m o de obra versus o valor do investimento na compra da m quina ISHITANI and KAYA 1989 48 5 2 Vantagens da Automa o na Manufatura Erroneamente apontamos como a primeira e principal vantagem de investimentos em automa o a economia de custo de m o de obra justificada pela busca por redu o nos custos da manufatura em muitos pa ses inclusive o Brasil Atualmente os projetos de automa o visam n o somente obter economias de custos de m o de obra mas tamb m melhor qualidade dos produtos produ o e entrega mais r pida
80. m os menores custos poss veis O cen rio em que deve ser desenvolvido o projeto da junta soldada mostrado na Figura 2 5 Dever o ser observados sempre os requisitos dos materiais do projeto da montagem e do processo de soldagem Material Soldabilidade Soldabilidade Seguran a da dos materiais pe a soldada componente Processo de Possibilidade Projeto amp Soldagem de soldagem da montagem pe a Figura 2 5 Cen rio dos pilares base para o projeto da junta soldada BATALHA G notas de aula Finalmente projeto e processo devem ser feitos de modo que n o sejam necess rias solu es de um alto custo vari vel para o ve culo Por isso deve sempre ser levado em considera o o custo e a vantagem competitiva proporcionada pela tecnologia no processo de jun o Na Figura 2 6 tem se um comparativo do custo relacionado aos processos de conforma o e jun o na montagem de carrocerias automotivas 12 custos clinching hidroconforma o tailored blanks solda a LASER amp patchwork estampagem profunda amp estiramento solda a ponto resistiva tecnologias de jun o tecnologias de conforma o Figura 2 6 Curva representativa do custo vs processos de conforma o e jun o na montagem de carrocerias automotivas STANDRING 2004 13 2 3 Controle de dimensional e geometria no processo de montagem 2 3 1 Conceito RPS Sistema de pontos de refer ncia O Conceito RPS Reference
81. ma o vigentes incluindo o modelo geral de software e uma linguagem de estrutura o A norma pode ser dividida em duas partes 1 Elementos Comuns Common Elements 2 Linguagens e programa o Programming Languages 104 8 1 Elementos Comuns 8 1 1 Tipagem de Dados Dentro dos elementos comuns os tipos de dados s o definidos A tipagem de dados previne erros na fase inicial usada para defini o do tipo de qualquer par metro usado Isto evita por exemplo a divis o de uma data por um inteiro Os tipos de dados comuns s o e Boolean e Integer e Real e Byte e Word e Date e Time of Day e String Baseado nisto poss vel definir outros tipos de dados derivados destes conforme a necessidade do projeto Desta forma pode se definir por exemplo uma entrada anal gica como tipo de dado e reutiliz la in meras vezes 8 1 2 Vari veis Vari veis s o associadas somente para endere os expl citos de hardware nas configura es entradas e sa das por exemplo recursos e programas Desta forma cria se um alto n vel de independ ncia do hardware proporcionando a reutiliza o do software O escopo das vari veis normalmente limitado unidade de organiza o nas quais elas s o declaradas escopo local Isto significa que os nomes delas podem ser reutilizados em outras partes sem nenhum conflito eliminando outra fonte de erros muito comum que s o os dados 105 corrompidos pel
82. mado a partir de diversos componentes montagem de carrocerias automotivas b Processo de transforma o propriamente dito non assembly onde o produto final resultado de um ou de v rios processos de transforma o que sofre a mat ria prima como por exemplo a fresagem e o torneamento de pe as O segundo tipo de classifica o o mais conhecido e divulgado na literatura Dentro desta classifica o existem tr s categorias que s o mostradas na figura 4 1 34 Sistemas de Producao em massa Sistemas de Produ o Intermitente Figura 4 1 Classifica o de um sistema de produ o discreto pelo volume de produ o 4 1 1 Sistemas de Produ o em Massa Sistemas de produ o em massa s o utilizados geralmente para produzir itens altamente padronizados com demanda est vel Neste tipo de sistemas geralmente os produtos fluem de um posto de trabalho para outro numa seqii ncia prevista gerada pelo mesmo roteiro de fabrica o para todos os produtos sendo que as opera es realizadas nos postos de trabalho s o sempre repetitivas Em geral linhas de montagem s o exemplos t picos deste tipo de sistema como a manufatura de autom veis e eletrodom sticos Al m das caracter sticas mostradas na figura 4 2 pode se citar ainda a Obten o de altos ndices de produ o devido produ o em grande escala b Os produtos diferem apenas em termos de montagem final c Baixos custos de produ o devi
83. mento de FMS O National Institute of Standards Tecnology aponta tr s principais aspectos de problemas abordados em FMS Goldhar 1984 que s o a Como a arquitetura de controle pode ser simplificada b Por que FMS s s o dif ceis de serem configurados c O que pode ser feito para assegurar um alto n vel de qualidade nos produtos 44 Pode se considerar que os dois primeiros itens merecem destaque neste trabalho uma vez que est o diretamente relacionados com o projeto da arquitetura de automa o O controle e principalmente a integra o do sistema s o a chave para o desempenho de uma FMS A integra o traduz se em automa o com sistemas de rede de comunica o Mesmo com um equipamento de automa o adequado um FMS n o pode sobreviver com sua performance comprometida devido defasagem entre o controle e a apropriada integra o de suas opera es MAIMON 1987 Arquiteturas m todos e protocolos de rede s o desenvolvidos para a adequada integra o de FMS 45 4 2 O Conceito TPS Manufatura Enxuta O conceito TPS Sistema Toyota de Produ o ou tamb m conhecido como lean manufacturing ou manufatura enxuta uma refer ncia mundial para sistemas de manufatura em diversos tipos de mercado De forma resumida a manufatura enxuta uma filosofia que busca reduzir o tempo entre a ordem de pedido do cliente de um processo de manufatura e a entrega do produto eliminando o desperd cio O desperd
84. mpo quando todas as entradas estado e as vari veis de sa da s o definidas para todos os valores poss veis do tempo Em um sistema discreto no tempo uma ou mais destas vari veis est o definidas em pontos discretos no tempo geralmente como o resultado de um processo de amostragem Na Figura 3 4 pode se apresentar como o foco de nosso estudo os SISTEMAS DE EVENTOS DISCRETOS SED na rvore de classifica o dos sistemas de controle SISTEMAS ESTATICOS DINAMICOS VARIAVEIS NO TEMPO INVARIAVEIS NO TEMPO N O LINEARES SISTEMAS DE EVENTOS ESTADO CONT NUO ACIONADOS PELO TEMPO DISCRETOS ESTADO DISCRETO ACIONADOS POR EVENTO 7 DETERMIN STICO ESTOCASTICO DISCRETO NO TEMPO CONT NUO NO TEMPO Fig 3 4 rvore de classifica o de sistemas CASSANDRAS 1993 26 27 3 3 Conceito de controle autom tico para Sistemas de vari veis cont nuas SVC e eventos discretos SED Investimentos em novas tecnologias equipamentos m quinas e sistemas de controle t m sido os realizados para atender a tais exig ncias sendo que um meio bastante efetivo para isso a introdu o da automatiza o A base tecnol gica para realizar a automa o o controle autom tico que pode ser dividido em duas grandes classes MIYAGI 1996 De acordo com SANTOS FILHO 1993 em sistemas produtivos h um complexo 7 E E 1 7 conjunto de informa es qualitativas e quantitativas A n vel de controle
85. na flexibilidade do processo de fabrica o Tese submetida escola de engenharia de S o Carlos da Universidade de S o 132 Paulo como requisito para a obten o do titulo de doutor em Engenharia Sao Carlos 1990 PIRES J Norberto Rob tica das M quinas Gregas a Moderna Rob tica Industrial publicado no Jornal P blico caderno de Computadores de 1 e 8 de Julho de 2002 PRESSMAN Roger Software Engineering A Practitioner s Approach 3 ed New York McGraw Hill Inc New York 1992 RIVIN E Mechanical Design of Robots 1 ed McGraw Hill Inc New York 1988 R DAVID Grafcet A powerful tool for specification of logic controllers IEEE Trans Contr Syst Technol vol 3 pp 253 268 Sept 1995 REMBOLD U LAENGLE T LUTH T A Distributed Control Architecture for Autonomous Robot Systems 1994 SABUNCUOGLU Ihsan and HOMMERTZHEIM Don L Dynamic Dispatching Algoritm for Scheduling Machines and Automated Guided Vehicles in a Flexible Manufacturing System Int Journal of Production Research vol 30 n 5 pp 1050 1079 1992 SAITO NAKANAMURA Impacts of Robotization on the Japanese SCIAVICCO Lorenzo et al Modeling and Control of Robot Manipulators 1996 Universidade de N poles Federico II N poles It lia SPONG Mark W et al Robot Dynamics and Control 1989 SURI R and WHITNWY C Decision Support Requeriments in Flexible Manufacturing Journal
86. nda da mesma maneira e Sistemas lineares e n o lineares Um sistema linear satisfaz a condi o g al ul a2 u2 al g ul a2 g u2 onde o ul e u2 s o dois vetores de entrada al e a2 s o dois n meros reais e g a sa da resultante Os sistemas lineares din micos invari veis no tempo t m sido estudados detalhadamente na literatura da teoria de sistemas e controle e Sistemas de estado cont nuo e de estado discreto Os sistemas de estado cont nuo as vari veis do estado podem admitir geralmente qualquer valor real ou complexo Em sistemas de estado discreto as vari veis do estado s o elementos de um conjunto discreto por exemplo os inteiros n o negativos e Sistemas acionados pelo tempo e acionados por eventos Em sistemas acionados pelo tempo o estado muda continuamente enquanto o tempo muda Em sistemas acionados por evento apenas a ocorr ncia de eventos discretos gerados de forma ass ncrona conduz a transi es instant neas de estado entre as ocorr ncias dos eventos o estado permanece n o afetado 25 e Sistemas determin sticos e estoc sticos Um sistema torna se estoc stico sempre que uma ou mais de suas vari veis de sa da uma vari vel aleat ria Neste caso o estado do sistema transforma se um processo estoc stico e uma estrutura probabil stica requerida para descrever o comportamento do sistema e Sistemas discretos no tempo e cont nuos no tempo Um sistema dito cont nuo no te
87. ndo em conjunto com uma m quina de comando num rico numa c lula automatizada com outros rob s ou ainda quando o rob dotado de um sistema de vis o Nesse ltimo caso a interpreta o das imagens ser efetuada em rela o ao sistema de coordenadas de trabalho em duas ou tr s dimens es e as informa es extra das ser o transmitidas ao sistema de supervis o ap s tratamento apropriado O supervisor de controle ou unidade de controle respons vel pela gera o dos sinais de refer ncia individuais ao longo do tempo para cada junta do rob Atrav s 60 de uma malha de controle de posi o independente para cada junta esses sinais s o comparados aos valores atuais obtidos atrav s dos sensores de posi o articular Entretanto os valores das vari veis articulares utilizados como sinal de refer ncia na malha de controle de posi o das juntas quando comparados com os valores reais de posicionamento podem traduzir um erro que aumenta com a velocidade de opera o Conseqiientemente a implementa o de um controlador de posi o para um rob industrial exige o conhecimento da precis o cinem tica do movimento do manipulador Para estabelecermos estrat gias de controle de posi o de juntas rob ticas eficientes e precisas erro pr ximo de zero o movimento do rob descrito atrav s de equa es diferenciais levando se em considera o sua arquitetura construtiva a massa dos diferentes eleme
88. nguagens estruturadas previstas pela IEC Dentro do recurso uma ou mais tarefas Tasks podem ser definidas Sabe se que as tarefas controlam a execu o de um conjunto de programas ou blocos funcionais Elas podem ser executadas periodicamente ou quando houver a ocorr ncia de um evento espec fico tal como uma mudan a de vari vel Programas Programs s o constitu dos de um n mero de diferentes elementos escritos usando qualquer uma das linguagens definidas pela IEC Tipicamente um programa consiste de uma rede de Fun es Functions e Blocos Funcionais Function Blocks os quais s o capazes de trocar dados Fun es e Blocos Funcionais s o os blocos b sicos de constru o contendo uma estrutura de dados e um algoritmo A proposta da IEC 61131 3 proporcionar maior recurso e capacidade ao software de interface para programa o Tornando o aberto para futuras inser es como por exemplo multi processamento e programas disparados por eventos A IEC 61131 3 apropriada para uma ampla faixa de aplica es na industria inclusive na industria automobil stica 107 8 2 Unidades de Organiza o de Programas Na IEC 61131 3 os Programas Blocos Funcionais e Fun es s o chamadas de Unidades de Organiza o de Programas POUs 8 2 1 Fun es A IEC definiu fun es padr es e fun es definidas pelos usu rios Fun es padr es s o por exemplo ADD ition ABS absolute SQRT SINus e COSinus Fun
89. nsportadores Um FMS se distingue de outras formas de manufatura automatizada por considerar e A diversidade de produtos que se deseja produzir flexibilidade do produto e As caracter sticas adaptativas das m quinas flexibilidade dos equipamentos e Eas propriedades de similaridade dos processos flexibilidade do processo Sistemas flex veis de representam o mago da automa o fabril no ch o de f brica e foram desenvolvidos especialmente para manufaturar produtos em quantidades de volume m dio produ o em lotes ou batch manufacturing oferecendo muito da efici ncia das linhas de alto volume de produ o produ o em massa ou mass manufacturing enquanto mant m muito da flexibilidade achada no tradicional sistema de produ o por encomenda produ o jobbing shop ou de baixo volume de produ o Sistemas Flex veis de Manufatura por outro lado s o exemplos t picos de sistema concorrente ass ncrono que tem a capacidade de produzir simultaneamente diversos s produtos ou partes deles usando v rios recursos Para isso os FMS utilizam um 40 conjunto de esta es de trabalho flex veis geralmente maquinas CNC e rob s interconectadas por meio de um sistema de armazenagem e transporte autom tico controlado por um sistema de computador integrado e um sistema de tomada de decis o programador para decidir a cada momento quando o que deve ser feito o que e sobre que m quina onde A flexibili
90. ntos as in rcias e o tensor de in rcia relativamente carga transportada e considerando se tamb m a modelagem completa de seu sistema de acionamento motor redutor PAUL 1981 Um rob industrial definido como um manipulador multifuncional reprogram vel projetado para movimentar materiais partes ferramentas ou pe as especiais atrav s de diversos movimentos programados para o desempenho de uma variedade de tarefas RIVIN 1988 Uma defini o mais completa apresentada pela norma Robotic Industries Association RIA 10218 uma m quina manipuladora com v rios graus de liberdade controlada automaticamente reprogram vel multifuncional que pode ter base fixa ou m vel para utiliza o em aplica es de automa o industrial 61 Define se um sistema rob tico em SCIAVICCO 1996 a Manipulador uma segii ncia de corpos r gidos elos conectados atrav s de articula es juntas b Atuadores para posicionar o manipulador as juntas s o movimentadas atrav s de atuadores Os motores utilizados s o tipicamente el tricos mas ocasionalmente hidr ulicos e pneum ticos c Sensores para medirem a posi o o status do manipulador e se necess rio o status do ambiente d Sistema de Controle permite o controle e a supervis o da movimenta o do manipulador O manipulador formado por elos ligados atrav s de juntas OLIVEIRA 2004 O n mero de juntas determina os graus de liberdade d
91. o das necessidades e especifica es necess rio prever uma eficiente arquitetura de automa o dirigida a um r pido diagn stico de falhas pelo operador Um r pido diagn stico de falhas associado s ferramentas de atua o para san las pode manter o ndice de disponibilidade satisfat rio numa c lula de carrocerias automotivas 97 7 4 1 Modelagem e Desenvolvimento de um Software de Programa o A fim de avaliar os m todos avan ados de programa o para controladores foram identificadas as seguintes necessidades FELDMANN COLOMBO 1999 a Continuidade b Simultaneidade c Efici ncia d Clareza e Complexidade f Valida o g Flexibilidade A qualidade da programa o do software de CLP influenciar na performance das c lulas de manufatura em rela o ao a Tempo e facilidade para start up b Tempo de ciclo de processo c Tempo e facilidade de manuten o do software d Diagn stico de falhas e Tempo e facilidade para realizar modifica es e implementa o Van der Wal 2004 apresentou sete passos para uma correta estrutura o do programa de CLP 1 Identifica o das necessidades de interfaces externas do controlador com outros equipamentos no sistema 2 Defini o das trocas principais de sinais entre o controlador e a planta 3 Defini o das intera es do operador com o sistema informa es necess rias a es de controle atrav s das inter
92. o de sistemas de manufatura como Sistemas de Produ o Discreta Quando os produtos finais s o compostos de partes discretas isto quando podem ser quantificados numa forma discreta por um n mero real como autom veis pe as unit rias de carrocerias motores Como exemplo pode se citar o processo de manufatura de autom veis Sistemas de Produ o Cont nua Quando o produto final n o pode ser identificado individualmente isto quando ele contado em parcelas fracion rias como litros toneladas metros Como o caso das ind strias de processos em geral l quidos laminados refinarias Em c lulas de montagem de carrocerias pode se ent o classificar como um sistema de produ o discreta ou simplesmente como sistemas de manufatura que por defini o s o compostos por a Um sistema f sico b O layout de manufatura que representa a forma como os recursos f sicos s o distribu dos no ch o de f brica e a conex o entre eles c Sistema de gerenciamento tamb m conhecido como sistema de controle ou sistema de tomada de decis o DiCESARE 1993 Faz parte do sistema f sico o conjunto de recursos que opera sobre a mat ria prima e ou sobre o trabalho em processo como m quinas rob s c lulas sistemas de transporte transportadores AGV s operadores dispositivos de armazenagem esta es de carga descarga esta es de controle de qualidade 32 Por outro lado o sistema de gerenciamento
93. o e 25 de CO2 Em algumas aplica es adicionam se pequenas quantidades de oxig nio 02 ao arg nio ou mistura arg nio C02 Inicialmente o processo foi utilizado na soldagem de alum nio mas hoje muito empregado na soldagem dos metais comerciais incluindo o a o carbono e suas ligas a o inoxid vel e metais n o ferrosos como o cobre Aprimoramentos realizados nos ltimos anos reduziram significativamente os respingos e melhoraram a apar ncia de cord o de solda fazendo do processo um dos mais utilizados na ind stria Um sistema de aplica o de solda composto por v rios elementos que necessitam de algumas considera es Na tabela abaixo pode se exemplificar os componentes b sicos de um sistema para soldagem robotizada 71 Tabela 6 2 Componentes b sicos de um sistema para soldagem robotizada Componentes b sicos Considera es importantes Rob Graus de liberdade envelope de trabalho destreza precis o fonte de energia repetibilidade velocidade capacidade de carga tipo de acionadores Controle computacional do rob unidade de controle T cnica de programa o sistema feedback de controle tamanho da mem ria e do arquivo de backup armazenamento do programa interfaces softwares especiais de soldagem Fonte de energia para soldagem Ciclo de trabalho usualmente 100 desej vel interface com o controle do rob precis o corrige pequenas flutua es da tens o
94. o programa Se as vari veis tiverem escopo global estas devem ser declaradas como tal VAR GLOBAL A cada par metro pode ser atribu do um valor inicial na partida a quente onde os estados das vari veis s o mantidos deste do ltimo desligamento e a frio do sistema onde todas as vari veis assumem um valor inicial de forma a garantir os valores corretos 8 1 3 Configura o Recursos e Tarefas Para melhor entendimento observa se o modelo de software como definido pela norma Figura 8 2 Configura o Recurso Recurso Tarefa FB Tarefa Tarefa Bloco de Fun es Programa Execu o do controle de acesso Caminho de acesso Fu es de i comunica o vide IEC 61131 5 Figura 8 2 Modelo de software conforme definido pela norma Hierarquicamente a norma prev a estrutura o do programa No n vel mais alto o software deve definir a estrutura principal para um sistema de controle espec fico que pode ser formulado atrav s de Configura o Configuration Uma configura o espec fica para um sistema de controle incluindo a disposi o e composi o do 106 hardware recursos de processamento endere amento de mem ria para entradas e sa das I O interfaces de comunica o e demais capacidades do sistema Dentro da configura o pode se definir um ou mais recursos Resources Entende se um recurso como sendo um elemento com capacidade de processamento dos programas em li
95. odelagem e Implementa o de um Sistema de Controle De acordo com MIYAGI 1996 h uma descri o da metodologia para o projeto de controle de sistemas produtivos Esta metodologia baseada em procedimentos que direcionam a tarefa de desenvolvimento de software em engenharia da computa o PRESSMAN 1992 Neste sentido introduzido o conceito de ciclo de vida do sistema de controle de acordo com a Fig 7 8 An lise das Necessidades Defini o das Necessidades Projeto do sistema de controle Projeto do software de controle Desenvolvimento do software Testes Opera o j E Fig 7 11Ciclo de vida de um sistema de controle A realiza o de cada uma das etapas de desenvolvimento do sistema envolve o conceito de prototipagem repetindo se ciclicamente o procedimento descrito na Figura 7 9 Desta forma poss vel tratar as dificuldades existentes em sistemas que apresentam maior complexidade tanto estrutural quanto comportamental e refinar gradativamente os modelos para se obter um n vel de fidelidade adequado 95 An lise das Especifica es Descri o Modelagem cai Detalhamento Implementac ao Especifica o Avalia o Fig 7 12 Ciclo de Prototipagem Como pontos de partida para a modelagem devem ser analisadas as necessidade e especifica es A seguir s o apresentadas as neces
96. of Manufacturing Systems vol 3 n 1 pp 27 38 1984 TANI Akira International Comparisons of Industrial Robot Penetration Technological Forecasting and Social Change nr 34 p g 191 210 1989 TAUILE Jos Ricardo Microeletr nica e automa o a nova fase da ind stria automobil stica brasileira Revista de Economia Pol tica vol 6 n 3 julho setembro 1986 TCHIJOV Iouri CIM Introduction Some Socioeconomic Aspects Technological Forecasting and Social Change nr 35 pag 261 275 1989 133 TORII Yasuhiko Robotization in Korea Trend and Implications for Industrial Development Technological Forecasting and Social Change nr 35 pag 179 190 1989 TUBINO Dalvio Ferrari Manual de Planejamento e Controle da Produ o Editora Atlas1997 VAGHEFI M R Wood L A amp Huellmantel A 2001 Toyota Story 2 StillWinning the Productivity Game Annual Meeting of the Iranian Academic Association Tehran Iran WARNOCK I Programmable Controllers Operation and Application Prentice Hall 1997 WOBBE Werner Anthropocentric Production Systems a strategie issue for Europe APS Research Papers CEC FAST vol 1 FOP 245 Bruxelles CEC 1991 ZHOU DICESARE Petri Net Synthesis for Discrete Event Control of Manufactur 1993
97. omo uma linguagem textual se assemelha ao assembler Diagrama de Blocos Funcionais muito usada na ind stria de processos Expressa o comportamento de fun es blocos funcionais e programas como um conjunto de blocos gr ficos interligados assim como nos diagramas de circuitos eletr nicos parecido com um sistema no que diz respeito ao fluxo de sinais entre elementos de processamento Texto Estruturado uma linguagem de alto n vel muito poderosa com ra zes em Ada Pascal e C Cont m todos os elementos essenciais de uma linguagem de programa o moderna incluindo condicionais IF THEN ELSE e CASE OF e intera es FOR WHILE e REPEAT Estes elementos tamb m podem ser agrupados Esta linguagem excelente para a defini o de blocos funcionais complexos que podem ser usados em qualquer outra linguagem IEC 25 WHILE J lt 5 DO Z F I J END_WHILE IF B_1 THEN QW100 INT_TO_BCD Display ENDIF CASE TW OF 1 5 TEMP TEMP_1 2 TEMP 40 4 TEMP FTMP TEMP 2 ELSE TEMP 0 B_ERROR 1 END_CASE Figura 8 7 Exemplo de aplica o em texto estruturado ST O atendimento completo s exig ncias da norma IEC 61131 3 n o simples Por esta raz o a norma permite a implementa o parcial em v rios aspectos Isto cobre o 114 n mero de linguagens fun es e blocos funcionais suportados Tamb m confere maior liberdade para os fabricantes mas os usu rios devem ficar a
98. onceitos e teorias foram desenvolvidos e validados como por exemplo A fun o de transfer ncia de objeto de controle com uma entrada e uma sa da assim como a equa o dos espa os de estados que fornece a base te rica para o tratamento indistinto de sistemas com uma vari vel ou muitas vari veis etc MIYAGI 1996 Por outro lado no caso do controle qualitativo a t cnica mais representativa de sua implementa o o controle de SED Nesta t cnica considera se que os v rios elementos estruturais que comp em o objeto de controle podem assumir um n mero infinito de estados MIYAGI 1996 Por exemplo ligar desligar o motor da bomba abrir fechar a v lvula de ar avan ar recuar o carro subir descer o bra o acionar cortar a alimenta o etc o controle de vari veis descont nuas no tempo e no espa o e que normalmente considera se que assumam valores discretos Os v rios elementos como o motor da bomba v lvula do tanque volume do l quido etc que comp e o objeto de controle e os seus respectivos estados finitos ligado desligado aberto fechado m ximo intermedi rio m nimo podem ser todos representados por um conjunto limitado de estados O conjunto v lido dos estados dos v rios elementos estruturais do objeto de controle chamado de passo step do processo de controle Portanto neste caso abstrair e modelar o objeto de controle significa definir como os estados dos elementos estruturais do objeto d
99. onstru das tendo os operadores como usu rio final e representar o processo real Dependendo de seus recursos as IHM s podem ser usadas como interface de programa o Ainda segundo Castrucci e Moraes 2001 operam em dois modos distintos Modo de desenvolvimento Onde s o realizadas a cria o de telas gr ficas e anima es representativas do processo Modo Run Time A execu o da janela animada que mostra o andamento do processo onde ocorre a intera o do operador As IHM s em uma linha de produ o de montagem de carrocerias devem trazer telas gr ficas interligadas hierarquicamente e compat veis com a opera o do processo Um projeto de telas gr ficas de visualiza o de uma IHM em um sistema de 2 automatizado cr tico para a opera o de qualquer sistema de manufatura 84 pois a janela do operador para seu estado e controle As informa es mostradas e sua apar ncia na tela s o dirigidas ao operador e devem ser organizadas e objetivas para um melhor atendimento A interfaces de programa o para as IHM s atuais s o amig veis ao programador e possuem recursos avan ados al m de linguagem de programa o orientada ao objeto o que tem representado grandes vantagens no desenvolvimento de telas Com rela o interconex o dos equipamentos para alimentar um sistema IHM REDMAN el al 1996 prop e a implementa o de programas baseados em objetos distribu dos pela rede p
100. ooleanos de entrada e um par metro booleano de sa da 109 8 3 Programas Com os blocos b sicos de constru o anteriormente mencionados pode se dizer que um programa uma rede de Fun es e Blocos Funcionais Um programa pode ser escrito em qualquer uma das linguagens de programa o definidas Segii nciamento Gr fico de Fun es SFC Passo A Transi o 1 Transi o 2 Figura 8 4 Exemplo de seqii ncia de fun es Universidades francesas desenvolveram uma linguagem de representa o de processos sequenciais baseada nas Redes de Petri o Grafcet Graphe Fonctionnel de Command Etape Trasition Grafcet se tornou um padr o europeu e em 1988 foi publicado o padr o IEC 848 Preparation of function charts for control system baseado na existente linguagem Grafcet A norma IEC 61131 3 introduziu pequenas modifica es no padr o IEC 848 visando acoplar esta quinta linguagem as demais linguagens previstos na IEC 1131 3 O SFC Sequential Function Chart descreve graficamente o comportamento sequencial de um programa de controle derivado das redes de Petri e da norma IEC 848 Grafcet com as altera es necess rias para converter a representa o de uma 110 documenta o padr o para um conjunto de elementos de controle de execu o As caracter sticas permitem que a sua utiliza o segundo o que est descrito abaixo R W LEWIS 1999 e Descrever o comportamento seqiiencial de um sis
101. or no mercado de trabalho N vel de habilidade dos operadores Fatores competitivos Tempo de fabrica o Custo da montagem Tempo de ciclo requerido Qualidade exigida Exig ncia para atender norma Volumes de produ o gt Numero variedade de produtos em uma nica c lula flexibilidade A frequ ncia dos set ups para os diferentes produtos Disponibilidade de espa o f sico na planta Fluxo material na planta Ambientais Fumos de solda Seguran a do homem exposi o aos perigos doen as ocupacionais etc Figura 6 4 Fatores relevantes para um projeto de automa o da solda robotizada 76 7 A ARQUITETURA DE AUTOMACAO DE CELULAS DE MONTAGEM DE CARROCERIAS AUTOMOTIVAS Um projeto de automa o de linha de montagem de carrocerias automotivas compostas por c lulas necessita adotar uma arquitetura como base para padroniza o Esta arquitetura padronizada ir compor as diversas c lulas O projeto de uma arquitetura ir determinar o sucesso de um sistema a fim de alcan ar os seus objetivos de desempenho modularidade expansibilidade e custo As solu es ir o depender das limita es de cada projeto H v rios pontos que o projetista deve considerar ao iniciar o projeto Uma arquitetura b sica formada por esses principais elementos CLP O controlador principal respons vel por sincronizar a
102. orma busca dar harmonia forma como s o projetados e operados os controladores industriais padronizando a interface de programa o NEMA Programmable Controllers Committee formed USA GRAFCET France T DIN 40719 Function Charts Germany T NEMA ICS 3 304 Programmable Controllers USA T IEC SC65A WG6 formed T DIN 19 239 Programmable Controller Germany T IEC 65A Sec 38 Programmable Controllers MIL STD 1815 Ada USA IEC SC65A Sec 49 PC Languages T IEC SC65A Sec 67 TIEC 848 Function Charts IEC 64A Sec 90 IEC 1131 3 Type 3 report recommendation IEC 61131 3 name change L df J Li L J 1 L J JL J JL J J i J Ii 70 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 Figura 8 1 O hist rico da norma IEC 61131 3 Todas as partes aderem a uma estrutura comum e funcionam juntas de forma harmoniosa E importante ressaltar que as normas IEC s o de mbito mundial e s o isentas e independentes de qualquer empresa 103 Suas principais caracter sticas s o e A norma um resultado da For a Tarefa 3 Linguagens de Programa o dentro do IEC TC65 SC65B e Originou se do trabalho de sete empresas internacionais somando dezenas de anos de experi ncia no campo da automa o industrial e A norma completa re ne aproximadamente 200 p ginas de texto com 60 tabelas incluindo tabelas de caracter sticas e A especifica o da sintaxe e sem ntica de linguagens de progra
103. ponibilidade dos equipamentos atrav s de um eficiente sistema de diagn stico de falhas e interface amig vel com o operador Outra principal vantagem da solu o proposta a cria o de uma biblioteca de blocos de fun o FB s e molduras Templates para servir de projeto nas futuras implanta es de programa o em novas c lulas de montagem de carrocerias automotivas Espera se com isso ganho qualitativo no software final assim como ganho financeiro ao projeto Observando os problemas intr nsecos modelagem e ao projeto de software para controle de sistemas de eventos discretos SED este trabalho ainda prop e o SFC Seguential Flow Chart e FB Funtion Blocks como as mais adequadas ferramentas de estrutura o e organiza o interna do programa para a aplica o proposta 1 2 Organiza o do texto O cap tulo 2 refere se ao Processo de montagem de carrocerias automotivas O cap tulo 3 apresenta uma Introdu o Te rica ao conceito de sistemas de eventos discretos O cap tulo 4 faz uma Introdu o aos Sistemas de Manufatura e o cap tulo 5 aos Sistemas de Manufatura Automatizados J o cap tulo 6 aborda a Automa o em Montagem de Carrocerias Automotivas Robotizadas O cap tulo 7 descreve A Arquitetura de Automa o de C lulas de Montagem de Carrocerias Automotivas O cap tulo 8 apresenta a Norma IEC61131 3 Comentada no cap tulo 9 o Estudo de Caso e finalmente a Conclus o no cap tulo 10 2 PROCESSO
104. qualquer k 0 1 2 A constante T muitas vezes definida como o intervalo de amostragem A vari vel real t ent o substitu da por uma vari vel inteira k a qual incrementada de um n mero de intervalos constantes a partir de um ponto de refer ncia normalmente k 0 A Figura 3 2 ilustra como um sinal cont nuo no tempo x t pode ser fragmentado em intervalos discretos no tempo x k em um per odo de amostragem T importante notar que a discretiza o do tempo n o implica na discretiza o do espa o de estado Na Figura 3 2 observa se que a trilha de amostragem do tempo discreto constante em um determinado per odo por m o estado ou a amplitude pode tomar qualquer valor em R reais assim como no caso cont nuo no tempo 19 x t x k 0 T 2T 3T 4T ST O6T 7T 87 9T 10T IIT RT 0 112345 6 78 9 10 12 Figura 3 2 Continuo no tempo e discreto no tempo representado pela trilha de amostragem 3 1 2 Sistemas de eventos discretos Quando o espa o do estado de um sistema naturalmente descrito por um conjunto discreto com a transi o dos estados s o apenas observados em pontos discretos no tempo pode se ent o associar estas transi es de estados como eventos e definir um SISTEMA DE EVENTOS DISCRETOS CASSANDRAS 1993 A partir deste ponto poss vel come ar o estudo deste tipo de sistema identificando suas principais caracter sticas Desta forma pode se definir evento como
105. r ncia de um operador humano Apresenta se Tabela 5 1 uma compara o entre sistemas de produ o entrados na tecnologia e no homem 56 Tab 5 1 Sistemas de produ o centrado na tecnologia e no Homem Centrado na tecnologia Centrado no homem Considera a introdu o de novas tecnologias para reduzir o n mero de operadores no ch o de f brica Considera a introdu o de novas tecnologias para complementar as capacidades humanas e tecnol gicas incremento funcional da flexibilidade Qualidade do produto e conforto dos operadores Procura substituir as habilidades e experi ncia humana por tecnologia Procura melhorar a qualidade e estabilidade do recurso humano e atrav s disto melhorar a explora o do potencial oferecido por novas tecnologias Considera t cnicas centralizadas solu es Considera solu es t cnicas descentralizadas Considera uma hierarquia r gida pouca liberdade na tomada de decis es Considera a participa o dos oper rios na tomada de decis es Considera uma fun o operacional z Considera uma autonomia operacional para informa o decis o e controle da f brica por meio de uma centraliza o auxiliada por computador passiva isto a simples execu o desempenhar tarefas diferentes e complexas de tarefas os problemas podem ser resolvidos individualmente ou em qrupo A integra o de unidades dejConsidera a
106. rabalha na especifica o de esquemas XML para todas as linguagens assim como projetos inteiros Esta especifica o proporcionar a base para interc mbio assim como a integra o com outras ferramentas de software o que inclui ferramentas de desenvolvimento de alto n vel ferramentas de documenta o e valida o A norma IEC 61131 3 ainda est em desenvolvimento necessita de melhorias e muitos desafios ainda vir o para provar sua efic cia Por m ela j pode ser considerada vitoriosa devido aos benef cios trazidos pelo desenvolvimento de padr es assim como sua difus o e ado o pelos principais fabricantes de controladores e principalmente por oferecer mais qualidade e transpar ncia aos usu rios finais 119 9 ESTUDO DE CASO A cria o da plataforma de automa o apresentada neste estudo de caso foi fruto de uma pesquisa de mercado entre diversos fornecedores de tecnologia de CLP s e redes de comunica o e controle O objetivo deste trabalho foi criar uma plataforma de padroniza o para ser utilizada nas c lulas da linha de montagem de carrocerias para o a pr xima fam lia de ve culos da Volkswagem do Brasil intitulada VW23x ou Gol NF Esta arquitetura foi desenvolvida pela empresa Phoenix Contact GmbH amp Co KG em parceria com a engenharia da AUDI GmbH e Volkswagen do Brasil e foi adotada para ser a plataforma de novos projetos pela AUDI GmbH empresa do grupo Volkswagen e VW Brasil
107. ramadores desenvolveram bibliotecas de blocos de fun es a fim de proporcionar s novas implanta es o menor custo de desenvolvimento da l gica de controle Disso tudo resultou uma estrutura de programa o mais f cil de se entender e de ser reutilizada proporcionando uma separa o melhor das responsabilidades dos diversos usu rios programadores e equipes de implanta o e manuten o 129 11 REFERENCIAS BIBLIOGR FICAS ARC Advisory Group Consulting consulta na internet em 10 2006 http www arcweb com AWS American Welding Society Welding Handbook v 2 8th ed 1995 BARAD Miryam and Sipper Daniel Flexibility im Manufacturing Systems definition and Petri net modeling Int Journal Prod Res vol 26 n 2 pp 237 248 1988 BATALHA G Notas de aula em lt www poli usp br PMR efa gt Acesso em 15 04 2006 BATALHA G F Schwarzwald R C G L Damoulis New trends in computer simulation as integrated tool for automotive components de velopment in Proceedings of the Eighth NUMIFORM Columbus OH 2004 ISBN 0735401896 in CD BIRCH R S Alves M Dynamic failure on structural joint systems Thin Walled Structures v 36 n 2 p 137 154 jan 2000 CAMARINHA Matos H Afsarmanesh Balanced Automation Systems Architectures and Design Methods L M Editores Chapman amp Hall ISBN 0412 72200 3 IFIP Vol 20 Jul 95 CASSANDRAS Christos G Discrete Event Systems
108. resentados com letras mai sculas e normalmente suas toler ncias de posi o s o iguais a 0 zero o que quer dizer que s o pontos de partida para o posicionamento espacial da pe a H Furo hole F Superf cie face T Ponto Te rico e Tipos de Apoio Secund rio S o representados com letras min sculas e suas toler ncias de posi o apresentam valores pr ximos de O zero aproximadamente 0 2 mm S o aplicados em pe as de grandes dimens es e ou que apresentam regi es flex veis h Furo hole f Superf cie face t Ponto Te rico 15 2 2 109 Tipos de Apoio Principal H Furo hole F Superf cie face T Ponto Te rico Tipos de Apoio Secund rio h Furo hole f Superf cie face t Ponto Te rico X Comprimento Y Largura Z Altura Figura 2 8 Exemplo de aplica o do sistema de coordenadas RPS 16 3 INTRODU O TE RICA AO CONCEITO DE EVENTOS DISCRETOS 3 1 Conceitos gerais Controle um poder tecnol gico incalcul vel para o aperfei oamento de in meros processos seja em velocidade e precis o seja em custo O controle o uso deliberado de medidas das sa das do sistema a fim de melhorar o seu desempenho operacional num esquema de realimenta o ou feedback em torno do sistema original CASTRUCCI e MORAES 2001 Controle pode ser definido como uma a o planejada para que aquilo que se considera objeto de controle interaja com o
109. rregamento de pe as em m quinas operatrizes Carregamento e descarregamento de pe as em magazines b Processamento Soldagem por resist ncia el trica pontos ou a arco cont nua Fixa o de circuitos integrados em placas Pintura e envernizamento de superf cies Montagem de pe as Acabamento superficial Limpeza atrav s de jato de gua e abrasivos Corte atrav s de processo de plasma laser oxi corte ou jato de gua Fixa o de partes com parafuso deposi o de cola rebites Empacotamento c Controle de qualidade Inspe o por vis o Verifica o dimensional de pe as atrav s de sensores 65 6 3 Sistemas Flex veis de Produ o e Rob tica de Manipula o Industrial A rob tica trata de m quinas multifuncionais e reprogram veis que podem executar tarefas normalmente associadas a seres humanos possuindo tamb m a capacidade de identificar altera es nas condi es e restri es colocadas pela tarefa e ou pelo ambiente decidir quais as a es que devem ser tomadas e planejar a sua execu o PIRES 2002 O desenvolvimento deste tipo de m quinas introduziu um elevado grau de flexibilidade nos ambientes de produ o atuais dada a sua flexibilidade de utiliza o em diferentes tarefas atrav s de simples adapta es mudan a de ferramenta e reprograma o Atualmente os sistemas de produ o automatizados s o fundamentais para as economias modernas visto que a sua riqueza o s
110. s Anal gicas T Sensores de Maquinas ou Processo controlado us oa i v E lt v a N v 10 a ins Operador do Outros Sistemas Sistema Computacionais Fun es de Interface Homem M quina Programador do PLC Fun es de Comunica o Fun es de Programa o Depura o e Testes L CPU Unidade Central de Processamento Saidas Outputs Digitais Analogicas Fun es de Armazenamento do Programa de Aplica o Fun es de Armazenamento de Dados Fun es De Sistema Operacional Fun es de Execu o do Programa de Aplica o Lt Atuadores de Maquinas ou Processo controlado A Figura 7 1 A arquitetura b sica que representa o modelo l gico de um CLP A CPU o elemento central do CLP e respons vel pela leitura das entradas e pelo acionamento das sa das de acordo com a l gica definida no programa 79 A CPU ainda respons vel pela realiza o das opera es matem ticas e l gicas bem como gerir temporizadores contadores e outras fun es especiais e efetuar o diagn stico dos defeitos que possam ocorrer internamente As fun es de programa o depura o e testes s o executadas pela interface de programa o Os componentes respons veis pelo processamento de informa o s o chamados a intervir tanto na fase de explora o como de programa o e testes Na
111. s a maior lucratividade das empresas que utilizaram rob s Isso significa que para cada 2 rob s instalados uma pessoa demitida diretamente para cada 3 rob s tem se uma contratada e para cada 7 rob s tem se um emprego eliminado levando em conta os empregos gerados 51 Na Alemanha o impacto da rob tica atingiu principalmente os soldadores com uma elimina o estimada de 60 000 empregos nesta categoria entre os anos de 1995 e 2000 Outros empregos principalmente atingidos pela rob tica s o o de empacotadores com uma estimativa de 40 000 empregos eliminados e funcion rios de linhas de montagem com 20 000 empregos eliminados EDLER and RIBAKOVA 1994 Cabe ressaltar aqui que estes n meros s o estimativas feitas em 1994 a respeito de poss veis demiss es para os anos entre 1995 e 2000 Nos efeitos positivos na Alemanha est o empregos gerados na ind stria de rob s e na manuten o ligada a rob tica com aumento do n mero de vagas para engenheiros mec nicos e el tricos com uma qualifica o um pouco acima da m dia 5 3 1 O Impacto Social no Brasil O custo da m o de obra e a rea o social causada pelo medo do desemprego foram as principais causas da automa o nos pa ses desenvolvidos No caso Brasil isso ocorreu de forma diferente Apesar dos metal rgicos receberem sal rios altos em rela o ao resto da popula o nacional e terem um baixo n vel de escolaridade os sal rios pagos no Brasil t m um custo mu
112. seguinte As sa das permitem o acionamento dos atuadores motores cilindros etc existentes no sistema controlado pelo CLP Run Leitura das Tempo de Vari veis de Leitura Entrada Execu o do Programa de Tempo de Tempo de Aplica o Programa Ciclo Desenvolvido Atualiza o das Tempo de Vari veis de Sa da Atualiza o A Figura 7 3 ilustra a execu o c clica de um programa num CLP 83 7 2 A Interface Homem Maquina IHM A interface homem m quina IHM MMI Man Machine Interface ou HMI Human Machine Interface tem como principal fun o fornecer todas as informa es essenciais e permitir a opera o de todo o sistema ao operador de uma c lula autom tica de manufatura Segundo Castrucci e Moraes 2001 IHM s o sistemas que surgiram da necessidade de uma interface amig vel eficiente e ergon mica entre sistemas de automa o complexos e a equipe encarregada da sua opera o Uma interface homem m quina pode ser simplesmente um conjunto de botoeiras e ou sinalizadores luminosos displays entre outros As interfaces mais recentes utilizam displays do tipo touch screen o que permite a constru o do ambiente gr fico desejado no qual poss vel a configura o monitora o do processo em execu o altera o de determinados par metros do sistema como temporiza es e contagens opera es e movimenta o em modo manual Portanto as IHM s devem ser c
113. ser Figura 2 3d vem aumentando Empresas j manufaturam produtos com cerca de 20 a 30 metros de solda por carroceria A figura 2 4 permite observar que a solda a laser tamb m vem substituindo a solda MIG MAG e confirma algumas empresas considerando a solda a laser substituindo a solda a ponto resistiva como uma evolu o dif cil de ser evitada IWU 2003 Uma das vantagens da solda a laser o fato dela n o necessitar acesso pelos dois lados da pe a o que implica na diminui o do n mero de refor os da carroceria para uma mesma resist ncia j que as pe as n o possuem aberturas ou furos para o acesso da m quina de solda diminuindo se o n mero de pe as tem se a diminui o do peso da carroceria A resist ncia e o modo de falhas de um ponto de solda s o caracterizados como fun es principalmente da espessura das chapas resist ncia mec nica do metal di metro do ponto aplicado e do modo de aplica o das cargas sobre esse ponto 11 2 2 Cen rio dos Pilares B sicos Para o Projeto da Junta de Solda Em resumo um projeto de uma junta soldada pode ser definido como o estudo da montagem de dois ou mais componentes que s o unidos por solda segundo a RWMA The Resistance Welding Manufacturing Alliance 1989 O objetivo b sico do projeto garantir que ela atenda os requisitos de funcionalidade confiabilidade e seguran a requeridas e seja capaz de ser fabricada inspecionada transportada e posta em trabalho co
114. sidades e especifica es para a automa o da c lula LGG LASER Gross Geo c lula de soldagem LASER e aplica o da geometria para as carrocerias da fam lia de ve culos VW 24x a Aplica o de 3100 mm de cord o de solda no teto com adi o de material b Aplica o de 3580 mm de cord o de solda sem adi o de material c Atender a produ o de 600 carrocerias por dia sendo 3 modelos de carros d Operar aproximadamente 290 dispositivos pneum ticos para o correto posicionamento das partes da carroceria que ser o soldadas e Possuir disponibilidade de 85 Atender um tempo de ciclo de aproximadamente 75 seg Em rela o disponibilidade apresentado no item e definido segundo Johnson 1989 no gr fico a seguir Figura 7 8 onde apresentada sua rela o com a manutenabilidade e a confiabilidade 22 20 18 16 14 12 10 paal al oN A Q O 96 Confiabilidade x Manutenabilidade MTTR MTBF Disponibilidade _ MTBF MTTR MTBF Tempo m dio entre falhas MTTR Tempo m dio de falha D 75 D 85 D 95 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 N de falhas em um determinado periodo de tempo Confiabilidade Fig 7 13 Reduzindo o tempo para sanar as falhas e o n mero de paradas indesej veis poss vel incrementar a disponibilidade Johnson 1989 Devido import ncia dada disponibilidade das c lulas autom ticas j nas etapas de defini
115. ta o para movimentos em manual e verifica o da posi o atual dos dispositivos Conex o atrav s da rede entre o CLP e m dulos de entrada e sa da Standard Fieldbus e as oito fam lias de redes Tipos de redes de campo Faixa de atua o nas redes de campo Arquitetura de automa o de uma esta o autom tica de solda Ciclo de vida de um sistema de controle Ciclo de Prototipagem Reduzindo o tempo para sanar as falhas A utiliza o do software Ferramenta de modelagem e simula o do programa de CLP O Hist rico da Norma IEC 61131 3 p gina oo 11 12 13 15 17 19 22 26 30 34 38 54 62 68 75 78 80 82 85 86 88 89 90 89 93 94 95 96 99 100 102 8 2 8 3 8 4 8 5 8 6 8 7 9 1 9 2 9 3 9 4 9 5 9 6 9 7 Modelo de software conforme definido pela norma Exemplo b sico de declara o de um bloco de fun es Exemplo de seq ncia de fun es Exemplo de seq ncia de fun es alternativas As quatro linguagens descrevem a mesma l gica de programa Exemplo de aplica o em texto estruturado ST Layout da c lula denominada opera o 100 Dispositivos de fixa o e controle de dimensional RPS Arquitetura de hardware Estrutura principal em SFC Bloco de fun o FB ROB_FOL Bloco de fun o FB ROB MIG MAG Bloco de fun o FB ROB KLEBEN 105 108 109 111 112 113 121 122 123 125 116 117 117 1 INTRODU O A competitividade trouxe ind stria automobil s
116. tema e Como linguagem de estrutura o das a es de um programa segundo um um modelo top down e Para descrever 0 comportamento de um processo seqiiencial e Para representar as fases de um processo tipo batelada batch e Para representar um processo de comunica o de dados etc O SFC estrutura a organiza o interna do programa e ajuda a decompor o problema de controle em partes gerenci veis enquanto mant m a sua vis o geral O SFC consiste em passos interligados a blocos de a es e transi es Cada passo representa um estado particular do sistema que esta sendo controlado Uma transi o associada a uma condi o que sendo verdadeira causa a desativa o do passo anterior e a ativa o do passo seguinte Os passos s o ligados com blocos de a es desempenhando uma determinada a o de controle Cada elemento pode ser programado em qualquer linguagem prevista na IEC incluindo o pr prio SFC poss vel o uso de seqii ncias alternativas e mesmo paralelas tais como aquelas normalmente usadas em aplica es de bateladas Por exemplo uma seqii ncia usada para o processo prim rio a segunda para a monitora o das restri es operacionais Figura 8 5 111 Passo 1 Transi o 1b Passo 2a S Empty Passo2b H S Empty Transi o 2a Transi o 2b Figura 8 5 Exemplo de seqii ncia de fun es alternativas Devido a sua estrutura geral o SFC fun
117. tema de eventos discretos Para isso oportuno diferenci lo de um sistema de vari veis din micas e cont nuas SVDC Como foi mencionado o maior trunfo da engenharia de controle at a data atual s o os modelos baseados em equa es diferenciais Por m para utilizar se destes modelos necess rio que o sistema satisfa a a duas propriedades CASSANDRAS 1993 1 Cont nuos no tempo 2 O mecanismo de transi o de estados acionado pelo tempo Em contraste um sistema din mico de eventos discretos ou resumidamente sistemas de eventos discretos SED devem satisfazer as seguintes condi es 21 1 O espa o de estados um conjunto discreto 2 O mecanismo de transi o de estados acionado por eventos Desta forma pode se adotar a seguinte defini o Um sistema eventos discreto SED um sistema de estados discretos e acionados por eventos isto a evolu o dos estados depende inteiramente de ocorr ncias de ass ncronos eventos discretos ao longo do tempo Como observado na Figura 3 3 pode se citar as duas principais caracter stica que distingue um SED e um SVDC 22 x t x t TE CCEE DS a Si cs te atas a ANE Drs DO S3 p essq cT s SSS 5S 5 S2 J 4 l X S1 2 3 S4 S5 CT EEE EES da E A ti te ta t4 ts ts t e1 e2 e3 es es es e Fig 3 3 uma compara o entre trilha de amostragem de
118. tentos durante o processo de sele o Novas vers es tamb m podem ter um n vel de implementa o dramaticamente alto Muitos ambientes de programa o baseados na IEC 61131 3 oferecem tudo o que esperado uso do mouse menus telas gr ficas suporte para m ltiplas janelas uso de hipertexto verifica o durante a programa o No entanto estas propriedades s o caracter sticas n o definidas pela norma e um ponto onde os fabricantes podem se diferenciar As implica es t cnicas da norma IEC 61131 3 s o muitas deixando bastante espa o para o crescimento e diferencia o Isto torna a norma propensa a evoluir muito nos pr ximos anos 115 8 5 Os benef cios proporcionados pela norma IEC 61131 3 A norma IEC 61131 3 causar um grande impacto em toda ind stria de controle industrial Certamente n o ficar restrita ao mercado de CLP s convencionais Atualmente foi adotada no mercado de Motion Controll sistemas distribu dos e sistemas de controle baseados em PC Softlogic incluindo pacotes SCADA Ter uma norma sobre uma ampla rea de aplica o proporciona muitos benef cios para os usu rios e programadores Os benef cios da ado o da norma IEC 61131 3 s o v rios Alguns exemplos s o e Redu o do desperd cio de recursos humanos no treinamento depura o manuten o e consultoria e Destinar maior aten o para a solu o de problemas atrav s da reutiliza o de software em alto n vel e
119. tica nacional uma crescente busca por produtividade qualidade e flexibilidade elevada para satisfazer a uma demanda crescente do mercado com produtos heterog neos e diversificados Isso gerou investimentos em sistemas de produ o automatizados de processos criando inevitavelmente complexidade das instala es exigindo cada vez mais capacita o intelectual e operacional dos profissionais que planejam o controle e a automa o da linha de produ o Neste contexto h uma necessidade de sistemas de produ o flex veis e de car ter antropoc ntrico e ainda com ferramentas de diagn stico de f cil intera o com os operadores das c lulas produtivas A redu o dos custos dos investimentos em automa o para viabilizar projetos que necessitam quase integralmente de importa o de tecnologias tamb m tem sido um desafio para projetistas e engenheiros que tentam atender a essa necessidade A automa o trouxe ind stria automotiva as vantagens previstas por Castrucci e Moraes 2001 Repetibilidade e maior qualidade na produ o Realiza o de tarefas imposs veis ou agressivas ao homem Rapidez de resposta ao atendimento da produ o Redu o dos custos de produ o Restabelecimento mais r pido do sistema produtivo Redu o da rea de fabrica o a a ae i Possibilidade de introdu o de sistemas produtivos interligados Por m projetos de controle de c lulas autom ticas de produ o de carrocer
120. ticas MEGR 5 2 100 tarefas manuais 423 tarefas autom ticas Logo o grau de automa o na linha de produ o exposta neste exemplo de MEGR 81 59 6 AUTOMACAO EM MONTAGEM DE CARROCERIAS AUTOMOTIVAS ROBOTIZADAS No prisma dos sistemas de manufatura flex veis FMS destacam se as seguintes tecnologias aplicadas na automa o de c lulas de montagem de carrocerias automotivas Rob s Controladores Program veis e Interfaces vide cap tulo 7 6 1 Defini es de Rob s Industriais Um rob industrial pode ser definido como um sistema mec nico articulado que tem como objetivo principal executar opera es pr definidas Isso realizado atrav s da unidade de controle que indica o que o manipulador far para que o rob realize as tarefas especificadas Normalmente ele constitu do de seis 6 graus de liberdade Sua trajet ria definida atrav s de um conjunto de ngulos transla es associados ao movimento angular linear de cada grau de liberdade do rob que ap s um algoritmo de interpola o servir como sinal de refer ncia para o controlador de posi o de cada junta rob tica que realizar uma compara o com os sinais provenientes dos transdutores de posi o das juntas Diversas aplica es industriais exigem que o rob trabalhe de acordo com a posi o e orienta o de seu elemento terminal em rela o ao sistema de coordenadas de trabalho Por exemplo um rob trabalha
121. tividades para se obter o melhor desempenho do sistema Sistemas Flex veis de Manufatura FMS podem ser considerados em muitos casos como job shop automatizados SABUNCUOGLU 1992 As principais diferen as s o a Em um FMS as fun es da maioria dos trabalhadores s o automatizadas e b um FMS possui um sistema de manuseio de material automatizado frequentemente ve culo guiado automaticamente rob s e transportadores que interliga as diversas esta es de trabalho dentro do FMS Como os FMSs s o sistemas din micos discretos eles podem ser modelados e analisados por uma s rie de ferramentas tais como Filas de Espera Cadeias de Markov Programa o Matem tica enquanto que a simula o freqiientemente utilizada para avaliar o desempenho do sistema Na fase operacional dos FMSs um dos maiores problemas est relacionado com o planejamento e programa o da produ o 4 1 5 Flexibilidade nos Sistemas de Manufatura Flexibilidade um aspecto muito importante na tomada de decis es manufatureiras A flexibilidade representa uma importante vantagem competitiva para uma unidade de neg cio Pode ser definida como a capacidade de um sistema de manufatura para responder rapidamente a mudan as imprevistas PAPADOPOULOS et ali 1993 ou instabilidades causadas pelo ambiente GUPTA amp GOYAL 1989 Um sistema de manufatura pode apresentar diversos tipos de flexibilidade que podem ser classificados de v rias maneiras
122. tura de software original em rela o utiliza o da linguagem SFC para este tipo de aplica o e oferece um diagn stico mais preciso de falhas da segii ncia operacional quando comparado a outras solu es Outra vantagem apresentada nesta arquitetura de automa o at ent o in dita no grupo Volkswagen diz respeito integra o da rede de dispositivos de entradas e sa das de controle de processo e de seguran a proporcionando uma instala o mais simples Palavras Chave Automa o CLP C lulas de Manufatura Montagem Soldagem Carrocerias e Engenharia Automotiva ABSTRACT STUDY ON AUTOMATION OF MANUFACTURING CELLS FOR ASSEMBLING AND WELDING OF AUTOMOTIVE BODY IN WHITE The proposal of this work is to present a solution of standardized automation architecture for the control of assembly cells of low cost and high performance automotive body in white The result obtained was accomplished analyzing the proposals of the main manufacturers of CLP technologies and communication and control nets and making comparisons among recent installations in some automotive area plants In spite of the financial results not being able to be corroborated up to the date of the publication of this work the technical advantages will be able to be confirmed The search of this control architecture was motivated by the implantation of the new family of vehicles named VW 23x Among the advantages obtained with the adoption of the solution
123. turas instala es muitoembora esta solu o tamb m est dispon vel atrav s de outros fornecedores de tecnologias Espera se que as vantagens propostas na solu o de automa o apresentada no estudo de caso sejam comprovas at o final da fase de implanta o do projeto VW 23x muito embora algumas das solu es adotadas tenham sido comprovadas em outras plantas do Grupo VW Com o resultado deste desenvolvimento espera se uma grande vantagem econ mica em todo o ciclo de vida das instala es e dos produtos montados A utiliza o da norma IEC 61131 3 apresentou modernas ferramentas para estrutura o de software de programa o de CLP s As partes essenciais para uma estrutura o de programa o adequada s o as linguagens SFC Sequenciamento Gr fico de Fun es e os Blocos Funcionais Function Blocks definidos pelo usu rio Ambas proporcionaram uma excelente forma para decomposi o da aplica o de controle em unidades facilmente gerenci veis Estas unidades foram de f cil utiliza o e entendimento por diversos usu rios de diferentes forma es Tais unidades tamb m permitiram que se estabelecesse o elo entre os engenheiros de sistemas desenvolvedores de software e as equipes de implanta o opera o e manuten o Al m disso elas funcionaram como uma importante ferramenta de representa o e comunica o para estes grupos de forma es e responsabilidades t o distintas Para tanto as equipes de prog
124. um SVC e um SED e Parao SVDC apresentado o espa o de estado X um conjunto pertencente a R reais e x t a solu o da equa o diferencial na forma gen rica x t f x t u t t onde u t representa a entrada e Para o SED o espa o do estado o conjunto S s1 s2 s3 s4 s5 A trilha de amostragem pode somente saltar de um estado para outro assim que um evento ocorre Note que um evento pode ocorrer por m n o causa uma transi o de estado como no caso de e3 Desta forma n o pode se utilizar 23 nenhum mecanismo do tipo x t f x t u t t que possa especificar quais eventos ir o interagir ao longo do tempo e como essas ocorr ncias podem ser determinadas Cassandras 1993 24 3 2 Resumo da classifica o dos sistemas de controle Para um melhor entendimento da classifica o dos sistemas de controle e principalmente para posicionar os sistemas de eventos discretos apresentado o seguinte resumo CASSANDRAS 1993 e Sistemas est ticos e din micos Em sistemas est ticos a sa da sempre independente de valores passados da entrada Em sistemas din micos a sa da depende do passado dos valores da entrada O comportamento de sistemas din micos pode ser descrito por equa es diferenciais e Sistemas vari veis e invari veis no tempo O comportamento de sistemas invari veis no tempo significa que ao aplicar uma entrada espec fica a um sistema sempre esperado que respo
125. vam em considera o alguns pontos descritos abaixo a Quantidade a ser produzida b Qualidade exigida c Processos envolvidos na montagem d Fatores sociais e estrat gicos O C lculo utilizado na engenharia de manufatura de arma o de carrocerias da Volkswagen para calcular o n vel de automa o em uma linha de montagem de carrocerias descrito abaixo bo tarefas autom ticas MEGR 5 1 tarefas manuais tarefas autom ticas Onde MEGR Nivel de automa o ou grau de mecaniza o automa o Mechanisierungsgrad X Tarefas manuais Somat rio de todas as tarefas manuais onde 1 tarefa a um operador que exer a uma tarefa direta na aplica o do processo de jun o e ou movimenta o X Tarefas autom ticas Somat rio de todos os rob s dispostos no layout 58 Obs Deve ser considerado um indice proporcionalidade de acordo com a tecnologia de com a aplica o do rob na referente tecnologia de jun o Exemplo Aplicados no processo de Solda Ponto MIG MAG aplica o de Cola e 1 Rob aplicado ao processo de grafagem conforma o 2 Aplica es de solda LASER devido velocidade da aplica o 2 5 Exemplo de c lculo Contabilizando todas as tarefas em uma linha de produ o obt m se Soma das tarefas autom ticas 423 Rob s Soma das tarefas manuais 100 Trabalhadores diretos ligados ao processo de manufatura 423 tarefas autom

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