UNIJUÍ - UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
DCEENG – DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA – CAMPUS PANAMBI
CRISTIANO RAFAEL LOPES
PROJETO DE UM CARRINHO PARA DOSAGEM AUTOMÁTICA DE RAÇÃO PARA ALIMENTAÇÃO DE SUÍNOS
PANAMBI (RS) 2013
PROJETO DE UM CARRINHO PARA DOSAGEM AUTOMÁTICA DE RAÇÃO PARA ALIMENTAÇÃO DE SUÍNOS
Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Graduação em Engenharia Mecânica, da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Banca Avaliadora:
1º Avaliador: Profº. Dr. Gil Eduardo Guimarães 2° Avaliador (Orientador): Profº. Me. Claudio Fernando Rios
PANAMBI (RS) 2013
Dedico este trabalho a meu pai Luiz, minha mãe Cladis, minha irmã Daiane e minha esposa Diane. Agradeço a estas pessoas, que eu tanto amo, por toda a compreensão, paciência, carinho, amor, apoio e motivação dispensados ao longo da minha vida.
Muitas são as pessoas que neste momento merecem meu agradecimento, sem elas não teria chegado aqui, me incentivaram, apoiaram no decorrer da graduação e principalmente na realização deste trabalho, por isso merecem um agradecimento de forma especial.
Agradeço a minha esposa Diane, heroína que me deu apoio, incentivo nas horas difíceis, de desânimo e cansaço.
Aos meus pais Luiz e Cladis, que apesar de todas as dificuldades enfrentadas me fortaleceram, sempre me incentivaram. Vocês foram à base de tudo pra mim, apoiando-me nos momentos difíceis com força, confiança, amor, ensinando-me a persistir nos meus objetivos e ajudando a alcançá-los.
À minha irmãzinha Daiane, prefiro chamá-la de “Daia”, você também faz parte desta etapa tão preciosa que estou finalizando hoje. Apesar de ainda ser uma criança me incentivou e me apoio muito ao longo da minha caminhada na graduação. Agradeço “maninha” por cada risada e folia ao seu lado.
Ao meu orientador Claudio Fernando Rios, pelo suporte no pouco tempo que lhe coube, pelas suas correções e incentivos.
Aos meus sogros Astão e Leda pelo incentivo e força concebidos durante toda a trajetória do curso. Agradeço pelo apoio nas pesquisas realizadas que foram fundamentais para a realização deste projeto. Aos cunhados Dinéia e Elton pelos momentos compartilhados, pela força e incentivo durante esta caminhada.
À toda minha família de modo geral e particularmente aos avós Manoel, Eloy, Elson (in memorian) e Selmira, gostaria de agradecer pelos exemplos de vida aqui deixados.
Nesse momento, sintetizo um agradecimento especial aos amigos Marcos (Alemão), Elton, Ribamar, José e Marcos (Kiko) que fizeram parte da minha vida durante o período de graduação, proporcionando e ao mesmo tempo dividindo momentos de alegrias, tristezas, experiências e muitas conquistas.
Meus agradecimentos aos amigos e colegas de empresa, Fabiano e Romualdo (Tanaka), que contribuíram de forma expressiva no desenvolvimento deste trabalho.
Por fim, agradeço à vida que se resume em algo maior, que alguns acreditam ser uma força, outros não conhecem e eu sinto a todo instante que é meu Senhor e meu Deus.
A todos que direta ou indiretamente fizeram parte da minha formação, o meu muito obrigado.
“Pouco conhecimento faz com que as pessoas se sintam orgulhosas. Muito conhecimento, que se sintam humildes. É assim que as espigas sem grãos erguem desdenhosamente a cabeça para o Céu, enquanto que as cheias as baixam para a terra, sua mãe.”
Este trabalho é um estudo voltado para a área de automação na pecuária, visando aumentar a produtividade, a confiabilidade e precisão no processo de alimentação de animais. Trata-se do desenvolvimento do projeto e da construção de um protótipo de dosador de ração automático, aplicado nas tarefas de dosagem de ração voltada a alimentação de suínos em confinamento. Os objetivos são apresentar uma solução que proporcione um aumento na precisão de dosagem, diminuindo custos com alimentação, redução do tempo destinado ao processo de alimentação, redução da mão-de-obra e ergonomia no processo. Serão apresentados os problemas enfrentados atualmente no processo de alimentação e três concepções do equipamento criadas a partir da utilização de ferramentas que auxiliam na elaboração do projeto, como: Casa da qualidade, Quadro de Identificação do problema, Diagrama FAST e Matriz morfológica. Também serão apresentados detalhes do projeto da melhor concepção, dos principais componentes do carrinho dosador de ração, detalhes da construção do protótipo, materiais utilizados e testes realizados para análise de confiabilidade do projeto.
Palavras-chave: Equipamento para alimentação de suínos, alimentador automático, dosador
The present exploratory work is a study on automation system for cattle-raising area, in order to improve productivity, reliability and accuracy in animals feeding process. It concerns to the project development and the construction of an automatic feed measuring system, applied to the tasks of feed dosage regarding to the confined pigs feeding. The aims show a solution which provides more dosage accuracy, feed expenses reduction, apart from the spent time for feeding procedure, labor and ergonomic process. The current problems will be presented as well as the three conceptions about the equipment, created after using tolls which aid on the project elaboration, for instance: Quality House, problem identification frame, fast diagram and morphological matrix. Furthermore, the study will present details about the best conception of the project, about the main components of the feed measuring trolley, about the prototype construction, used materials and made test in order to analyze the reliability of the project.
Figura 1 – Sistema automático para alimentação de suínos da empresa Markaty. Fonte: Site da
empresa ... 12
Figura 2 – Carrinho, balança e recipiente utilizado no processo de dosagem de ração. Fonte: Autor ... 12
Figura 3 - Vista interna de chiqueiro com capacidade de aproximadamente 450 animais. Fonte: Autor ... 13
Figura 4 – Casa da Qualidade para o projeto do Dosador de ração. Fonte: Autor ... 15
Figura 5 – Diagrama FAST do Dosador de ração. Fonte: Autor ... 17
Figura 6 – Esboço da concepção 1 do dosador de ração. Fonte: Autor ... 23
Figura 7 - Detalhe do mecanismo dosador de ração (princípio de funcionamento do dosador de sementes). Fonte: Autor ... 23
Figura 8 - Esboço da concepção 2 do Dosador de ração. Fonte: Autor ... 24
Figura 9 - Detalhe do mecanismo dosador de ração (helicóide). Fonte: Autor ... 24
Figura 10 - Esboço da concepção 3 do Dosador de ração. Fonte: Autor ... 25
Figura 11 - Vista isométrica do recipiente. Fonte: Autor ... 27
Figura 12 - Vista isométrica do sistema de direção. Fonte: Autor ... 28
Figura 13 - Vista isométrica do rodado. Fonte: Autor ... 29
Figura 14 - Vista frontal do rodado. Lado esquerdo: rodado sobre o guia de metal. Lado direito: rodado sobre o piso de concreto. Fonte: Autor ... 29
Figura 15 - Painel de comando do dosador. Fonte: Autor ... 30
Figura 16 - Sistema de dosagem. Fonte: Autor ... 31
Figura 17 – Estrutura do protótipo. Fonte: Autor ... 32
Figura 18 - Vista ilustrando a posição dos dois mecanismos em fase de montagem. Fonte: Autor ... 33
Figura 19 – Fluxograma do ciclo de dosagem ... 34
Figura 20 – Vista de um CLP. Fonte: site arnerobotics... 35
Figura 21 – Sensores utilizados no protótipo. Esquerda: Sensor indutivo. Direita: Célula de carga. Fonte: Portal da célula de carga ... 36
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Quadro de identificação do problema aplicado ao dosador de ração. ... 16
Tabela 2 - Busca por Princípios de solução para a dosagem de ração. ... 18
Tabela 3 – Matriz Morfológica para o dosador de ração. ... 21
Tabela 4 – Combinação dos princípios de solução. ... 22
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ...11
1.1 Generalidades ... 11
1.2 Breve levantamento do estado da arte das soluções existentes ... 11
1.3 Objetivos .. ... 13
1.4 Organização do trabalho ... 13
2 ANÁLISE DAS NECESSIDADES e CONCEPÇÃO DO CARINHO DOSADOR DE RAÇÃO... ... 15
2.1 Introdução . ...15
2.2 Casa da Qualidade ... 15
2.3 Quadro de Identificação do Problema para o dosador de ração ... 16
2.4 Diagrama FAST do dosador de ração ... 17
2.5 Busca por princípios de solução para a dosagem de ração ... 18
2.6 Matriz Morfológica de soluções para o dosador de ração ... 20
2.7 Geração e descrição das concepções ... 22
2.8 Avaliação das concepções ... 25
3 PROJETO PRELIMINAR E PROJETO DETALHADO ... 27
3.1 Introdução ... 27
3.2 Sistema de armazenagem... 27
3.3 Sistema de direção ... 28
3.4 Rodado duplo ... 29
3.5 Painel de seleção de peso ... 30
3.6 Sistema de dosagem ... 30 4 CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO ... 32 4.1 Introdução ... 32 4.2 Materiais utilizados ... 32 4.2.1 Estrutura.... ... 33 4.2.2 Mecanismos ... 33 4.2.3 Sistema de controle ... 33 CONCLUSÃO...38 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 39
INTRODUÇÃO
1.1 Generalidades
A indústria já vem a anos buscando aperfeiçoar seus processos, produzir mais em menos tempo, com menos custos, visando sempre aumentar seus lucros e uma área que auxilia muito neste aumento de produtividade é a automação. Mas este ramo de atuação, ou de estudo já não pertence somente à indústria, atualmente existe uma ampla aplicação da automação na agricultura e na pecuária, com tratores, colheitadeiras, implementos em geral, enfim, equipamentos cada vez com mais tecnologia embarcada.
Este trabalho trata do estudo, do projeto e da construção de um protótipo de dosador de ração automático, aplicado nas tarefas de dosagem de ração voltada a alimentação de suínos em confinamento. Fazendo-se um acompanhamento em alguns chiqueiros da região celeiro, mais especificamente Três Passos-RS, município com grande número de propriedades dedicadas a esta atividade, observou-se a dificuldade enfrentada por suinocultores no processo de alimentação dos animais, principalmente na dosagem correta do alimento.
De acordo com relatos de suinocultores o processo de alimentação é de extrema importância para um bom desenvolvimento dos suínos. Além de cumprir um horário pré-determinado para alimentá-los, também deve-se dosar a razão para cada baia (local onde ficam os porcos), processo que exige uma boa precisão (em torno de 100 gramas), e que exige um tempo excessivo para executar tal atividade.
1.2 Breve levantamento do estado da arte das soluções existentes
Atualmente existe um sistema automático para alimentação de suínos. Este sistema não é aprovado por todos os frigoríficos pelo fato de não ter um controle da quantidade e uniformidade da distribuição de ração aos suínos, que realiza distribuição de alimentos através de dois transportadores helicoidais que passam pelo chiqueiro no sentido longitudinal, um para as baias do lado direito e outro para as do lado esquerdo. Uma das extremidades destes transportadores fica ligada ao silo que armazena toda a ração e ao longo dos transportadores existem vários comedouros interligados, saída da ração, como ilustra a Figura 1.
Figura 1 – Sistema automático para alimentação de suínos da empresa Markaty. Fonte: Site da empresa
Para os suinocultores que não usam este tipo de distribuição automática de ração resta executar o processo manualmente. A alimentação é feita por duas pessoas que utilizam um carrinho, um recipiente (capacidade de 15 kg) e uma balança mecânica, a Figura 2 ilustra os componentes utilizados. O processo pode ser descrito da seguinte forma: uma pessoa enche o recipiente menor com uma quantidade de ração, a outra pessoa o pesa e desloca o carrinho, feito isto a primeira pessoa pega novamente o recipiente e faz a distribuição manualmente nos respectivos lugares.
Figura 2 – Carrinho, balança e recipiente utilizado no processo de dosagem de ração. Fonte: Autor Como um chiqueiro possui em média 50 baias e a alimentação deve ser feita até cinco vezes ao dia, na fase inicial do desenvolvimento do animal, então pode-se dizer que o processo de dosagem repete-se em torno de 250 vezes ao dia. A Figura 3 ilustra um chiqueiro internamente.
Figura 3 - Vista interna de chiqueiro com capacidade de aproximadamente 450 animais. Fonte: Autor
1.3 Objetivos
O objetivo deste trabalho é apresentar uma solução para o problema dos suinocultores que executam o processo de alimentação dos suínos manualmente. Um equipamento que substituiria a balança mecânica, que reduziria o tempo destinado ao processo de dosagem e que seria necessária apenas uma pessoa para executar o serviço com o mínimo de esforços.
O principal objetivo do sistema de dosagem automática é o aumento na precisão de dosagem. Mas também pode-se citar como objetivos da utilização da máquina automática a redução do tempo destinado ao processo de alimentação, ter uma distribuição uniforme da ração, redução da mão-de-obra (uma pessoa executa o serviço mais rápido), custo de operação menor, processo mais ergonômico o que reduz o risco de provocar lesões por esforços repetitivos e problemas de dores musculares.
1.4 Organização do trabalho
Este trabalho esta dividido em cinco capítulos onde, no primeiro capítulo é apresentado o estado da arte. No segundo capítulo é apresentada a análise das necessidades dos suinocultores. Relacionando-se tais necessidades com os requisitos e especificações técnicas (características de engenharia) requeridas no projeto do carrinho dosador de ração, utilizando-se o desdobramento da função qualidade na forma apresentada da casa da
qualidade. Simultaneamente realiza-se a análise do ciclo de vida do produto, montando o quadro de identificação do problema para o projeto.No terceiro capítulo é apresentada a fase do projeto conceitual, que vai desde a criação de concepções até a escolha da melhor entre elas, através de ferramentas de projeto como o diagrama FAST, que seja viável e capaz de resolver o problema de dosagem de ração.
No quarto capitulo é apresentado o projeto preliminar, que é a fase do projeto na qual são realizados todos os dimensionamentos da máquina em questão, todos os cálculos necessários para o projeto e seleção de componentes.
No quinto é apresentada a construção do protótipo do sistema de dosagem de ração, materiais utilizados, resultados obtidos nos testes realizados e sugestões de melhorias. A confecção das peças foi realizada na empresa Indutar Tecnometal de Ibirubá e a montagem foi realizada na UNIJUI campus Panambi. Por último é apresentada a conclusão e as considerações finais do trabalho de conclusão de curso.
2 ANÁLISE DAS NECESSIDADES E CONCEPÇÃO DO CARINHO DOSADOR DE RAÇÃO
2.1 Introdução
Neste capítulo são mostradas as necessidades dos suinocultores que usam o processo manual para a alimentação de suínos, as características dos sistemas existentes e as concepções criadas para o projeto.
2.2 Casa da Qualidade
A casa da qualidade segundo Fortuna (1988):
É um meio sistemático de assegurar que a demanda do consumidor ou mercado (requisitos, necessidades ou desejos) seja traduzida de forma precisa em especificações técnicas relevantes e ações concretas, ao longo de cada estágio do ciclo de projeto e desenvolvimento do produto.
Portanto ela é utilizada com o objetivo de transformar os requisitos dos clientes em requisitos dos produtos, características de engenharia. Com isso, têm se as vantagens de simplificar o projeto e trabalhar nos pontos considerados fundamentais do mesmo. A Figura 4 ilustra a Casa da Qualidade aplicada para o problema de dosagem de ração.
Analisando a casa da qualidade apresentada, pode se observar que os itens de projeto que terão maior importância estão relacionados com o sistema de dosagem de ração, quanto à precisão, faixa de dosagem e agilidade no processo.
2.3 Quadro de Identificação do Problema para o dosador de ração
Uma vez que as necessidades foram identificadas e o problema examinado, o passo é o seguinte é a colocação da declaração de necessidades no contexto do ciclo de vida do produto, produção, uso e operação e descarte. Em outras palavras, a natureza, o escopo da aproximação do problema e os mútuos efeitos entre a solução em surgimento e o meio ambiente serão relacionados. A Tabela 1 ilustra o Quadro de identificação do problema aplicado ao dosador de ração, segundo técnicas aplicadas em VALDIERO (1997). Este quadro apresenta a análise do ciclo de vida do produto e ajuda o projetista na visualização do ambiente e dos pontos que devem ser trabalhados ao se buscar uma solução.
No primeiro momento são determinadas as saídas desejadas (tudo o que é requerido e desejado no produto) em todas as etapas do ciclo de vida do produto. O passo seguinte é definir as saídas indesejadas, e em seguida definir um planejamento estratégico com base nos recursos e meio ambiente (são as características que são disponíveis e influenciam no projeto como, facilidades, equipamentos entre outros).
2.4 Diagrama FAST do dosador de ração
O diagrama FAST auxilia o desenvolvimento de soluções, mostrando as funções e/ou atividades envolvidas com maior clareza, direcionando as atenções para o propósito da questão. Ele parte de uma função de mais alto nível (função desejada no produto) até chegar em funções de nível mais baixo (foco de atuação do projeto), isto leva o projetista a passar de uma compreensão geral para uma compreensão específica do problema em estudo e conseqüentemente, permite que se possa quantificar melhor o item em questão, pois, o fato de dividir o sistema em partes facilita a compreensão do problema em seu todo. A figura 3 ilustra o Diagrama FAST aplicado para o problema de dosagem de ração.
2.5 Busca por princípios de solução para a dosagem de ração
Esta ferramenta possibilita a pesquisa de alternativas e princípios de solução para as funções de baixo nível do produto, encontradas no diagrama FAST, visando o máximo possível de opções e possibilidades. A Tabela 2 ilustra a aplicação desta ferramenta para o dosador de ração, segundo técnicas aplicadas em VALDIERO (1997).
2.6 Matriz Morfológica de soluções para o dosador de ração
A Matriz Morfológica é uma tabela na qual são representadas as alternativas e princípios de solução para as funções de baixo nível do produto, e que visa facilitar a visualização e combinação dos princípios para a formação das concepções. A Tabela 3 ilustra a aplicação desta ferramenta para o dosador de ração, segundo técnicas aplicadas em VALDIERO (1997).
2.7 Geração e descrição das concepções
A partir da matriz morfológica é obtido um conjunto de soluções. Para o problema de dosagem de ração foram geradas três concepções, selecionadas de acordo com a Tabela 4.
Tabela 4 – Combinação dos princípios de solução.
Concepção n° 1 Concepção n° 2 Concepção n° 3
A-1 A-2 A-3
B-2 B-2 B-2
C-1 C-1 C-1
F-1 F-1 F-1
H-1 H-1 H-1
I-1 I-1 I-1
J-1 J-1 J-1
K-1 K-1 K-1
L-1 L-1 L-1
M-1 M-1 M-1
D-1 D-1 D-1
E-1 E-1 E-1
G-1 G-1 G-1
N-1 N-1 N-1
A concepção 1 do dosador de ração para dosagem e distribuição de ração para suínos é composta por um recipiente com capacidade de 350 kg (1), rodízio giratório (2), manípulo (3), painel com os comandos do dosador (4), mecanismo dosador de ração, baseado no
princípio de funcionamento do dosador de sementes, cada furo do disco suporta uma pequena quantidade de ração (5) e dois rodízios fixos. As Figuras 6 e 7 ilustram a concepção 1.
Figura 6 – Esboço da concepção 1 do dosador de ração. Fonte: Autor
Figura 7 - Detalhe do mecanismo dosador de ração (princípio de funcionamento do dosador de sementes). Fonte: Autor
A concepção 2 do dosador de ração para dosagem e distribuição de ração para suínos é composta por um recipiente com capacidade de 350 Kg (1), rodízio giratório (2), manípulo (3), painel com os comandos do dosador (4), dois rodízios fixos (5) e um mecanismo dosador de ração, com a utilização de uma helicóide para fazer a dosagem (6). As Figuras 8 e 9 ilustram a concepção 2.
Figura 8 - Esboço da concepção 2 do Dosador de ração. Fonte: Autor
Figura 9 - Detalhe do mecanismo dosador de ração (helicóide). Fonte: Autor
A concepção 3 do dosador de ração para dosagem e distribuição de ração para suínos é composta por um recipiente com capacidade de 350 kg (1), rodas com rolamento duplo (2), sistema de direção (3), painel com os comandos do dosador (4), mecanismo dosador de ração com célula de carga (5). A Figura 10 ilustra a concepção 3.
Figura 10 - Esboço da concepção 3 do Dosador de ração. Fonte: Autor
O funcionamento das três concepções são similares e muito simples. Será necessário uma pessoa para operá-lo. O carrinho deverá ser empurrado no corredor do chiqueiro, não terá tração nas rodas. Sempre que o carrinho estiver no início da baia, o operador deverá selecionar a quantidade desejada de ração para a baia da esquerda e para a baia da direita. Feito isto deverá pressionar o botão no painel para iniciar o processo de dosagem. Ao iniciar a dosagem o carrinho deverá ser empurrado para espalhar a ração dentro do cocho. Terminada a dosagem repete-se o ciclo.
2.8 Avaliação das concepções
A avaliação das concepções pode ser observada na Tabela 5. Esta contém as características desejadas pelo cliente, analisadas anteriormente na casa da qualidade, e seus
respectivos pesos e uma nota (de 0-ruim a 10-excelente) com relação a cada concepção gerada.
Tabela 5 – Avaliação das concepções
Fazendo-se uma análise de satisfação relativa, é possível verificar que a concepção 3 é a que melhor atende as necessidades, pois ela atende satisfatoriamente as características desejáveis do cliente de mais peso, como a precisão na dosagem e a agilidade no processo. Portanto o projeto será baseado no conceito da concepção 3.
3 PROJETO PRELIMINAR E PROJETO DETALHADO 3.1 Introdução
O projeto preliminar é a fase do projeto na qual são realizados todos os dimensionamentos da máquina em questão, todos os cálculos necessários para o projeto e seleção de componentes. Nesta seção será mostrado em detalhe o projeto dos principais componentes do carrinho dosador de ração.
3.2 Sistema de armazenagem
Conforme a casa da qualidade, mais especificamente as necessidades do cliente, o recipiente para armazenagem deve conter 350 kg de ração e direcioná-la para o sistema dosador que esta localizado sob o recipiente. O sistema de armazenagem pode ser visto na Figura 11.
Analisando a Figura 11 pode-se observar que o recipiente direciona a ração para duas saídas, nestas, serão posicionados os dois sistemas de dosagem, para as baias do lado esquerdo e do lado direito do chiqueiro.
3.3 Sistema de direção
O principal problema encontrado para a definição do sistema de direção foi devido ao espaço reduzido para manobras dentro do chiqueiro, pois quando o carrinho está dentro do corredor seu deslocamento deve ser o retilíneo e quando ele deve ser reabastecido, o sistema deve permitir mudança de direção, portanto ele não pode ser fixo. O sistema é composto por um rodado fixo (1), rodado móvel (2), trava móvel (3), barra de direção (4), estrutura (5), barra de tração (6), guia (7). A Figura 12 ilustra o sistema de direção.
Figura 12 - Vista isométrica do sistema de direção. Fonte: Autor
Para que o carrinho desloque-se retilineamente no corredor do chiqueiro, será fixada um trilho de cantoneiras no chão do mesmo e o sistema de direção do carrinho deve ser travado, a trava (3) deve ser inserida no guia (7), que deixa fixa a barra de direção (4), para que as rodas dianteiras possam ficar paralelas com as traseiras. Quando o carrinho estiver fora do corredor poderá ser retirada a trava (3) do guia (7), o que libera novamente a barra de direção (4) e possibilita a mudança de direção.
3.4 Rodado duplo
Como o carrinho se deslocará em dois terrenos, com guia de metal e no concreto, optou-se em projetar o rodado do carrinho com uma roda de metal (1) e uma roda de nylon (2). A Figura 13 ilustra o rodado para o carrinho e a Figura 14 ilustra o rodado sobre o guia de metal e sobre o concreto.
Figura 13 - Vista isométrica do rodado. Fonte: Autor
Figura 14 - Vista frontal do rodado. Lado esquerdo: rodado sobre o guia de metal. Lado direito: rodado sobre o piso de concreto. Fonte: Autor
Analisando a Figura 14, pode-se observar que quando a roda de metal esta em contato com o guia a roda de nylon esta suspensa e quando a roda de nylon esta em contato com o concreto a de metal esta suspensa, fazendo assim com que o rodado do carrinho se comporte adequadamente nos dois ambientes.
3.5 Painel de seleção de peso
O painel é o instrumento de comunicação entre o operador e a máquina, ou seja, é onde o operador especifica a quantidade de ração para cada baia, a Figura 15 representa o seu uso, é o seguinte: no início da baia o operador insere o número da baia, do lado esquerdo e direito, posteriormente ele insere a quantidade de ração a ser dosada em ambos os lados e pressiona o botão “iniciar a dosagem” para que a máquina faça a dosagem, feito isso ele pode deslocar o carrinho até a próxima baia e iniciar um novo ciclo de dosagem.
Figura 15 - Painel de comando do dosador. Fonte: Autor
3.6 Sistema de dosagem
O sistema de dosagem é conjunto mais importante do projeto, segundo a casa da qualidade, as necessidades do cliente de maior peso, agilidade e precisão no processo de dosagem, são relacionadas diretamente a ele. O sistema é composto por um recipiente (1), uma tampa A com fechamento na horizontal (2), uma tampa B com fechamento angular (3), uma célula de carga (4), dois motores elétricos (5), um fuso (6), um came (7), um suporte para o recipiente (8).
O funcionamento do sistema é descrito da seguinte forma: a tampa (2) fica inicialmente fechada, quando o dosador é acionado para iniciar a dosagem, o controlador
aciona a abertura desta tampa, a ração começa cair e a célula de carga começa medir o peso que esta sendo incrementado, quando começa a aproximar com o peso selecionado o controlador aciona o fechamento desta tampa, quando ele fechar o peso estará igualado àquele selecionado pelo operador, assim será acionado o segundo motor que abrirá a tampa (3) e liberará a ração dosada, ao liberar a ração, este mesmo motor fecha a tampa e o sistema esta pronto para uma nova dosagem. A Figura 16 ilustra o sistema de dosagem com seus componentes.
4 CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO
4.1 Introdução
Devido a custos elevados para fabricação de todo o projeto, decidiu-se fazer o protótipo apenas do sistema de dosagem e como já foi citado anteriormente, este é o conjunto mais importante do carrinho dosador de ração. A construção da parte mecânica do projeto foi realizada na empresa Indutar Tecnometal de Ibirubá, a parte elétrica e automação foi desenvolvida no Campus da Unijui em Panambi.
Nesta seção serão mostrados detalhes da construção do protótipo, materiais utilizados e testes realizados para análise de confiabilidade do projeto, comparando com os requisitos citados na casa da qualidade.
4.2 Materiais utilizados
4.2.1 Estrutura
Toda a estrutura do dosador de ração foi construída em aço SAE 1020, pois é um material, barato, resistente e facilita a confecção dos componentes. A fabricação dos componentes envolveu vários processos de produção, tais como: dobramento, torneamento, soldagem, corte laser e corte mecânico. A Figura 17 mostra a estrutura do dosador de ração.
4.2.2 Mecanismos
O protótipo possui dois mecanismos que são fundamentais para seu funcionamento, um constituído por um fuso e outro por um came. A Figura 18 mostra os dois mecanismos.
• Fuso - responsável pela abertura e o fechamento do recipiente maior, que contém a ração a ser dosada;
• Came – responsável pela abertura e fechamento da tampa do recipiente menor, que contem a ração já dosada.
Figura 18 - Vista ilustrando a posição dos dois mecanismos em fase de montagem. Fonte: Autor 4.2.3 Sistema de controle
O sistema de controle que é utilizado no protótipo é o controle em malha fechada, no qual a diferença entre o sinal de entrada (peso desejado), e o sinal de saída realimentado, chamado de sinal de erro, é introduzido no controlador que atua na abertura ou fechamento da tampa do recipiente maior, diminuindo ou aumentando a vazão de ração, de forma a reduzir o
erro e manter a saída em um valor desejado. A Figura 19 ilustra o fluxograma para o ciclo de dosagem de ração.
Figura 19 – Fluxograma do ciclo de dosagem
Analisando a Figura 19, pode-se entender o funcionamento do dosador, primeiramente é selecionado o peso, esta informação deve ser interpretada pelo controlador, em seguida ele deve fazer a verificação do fechamento da porta B, esta verificação será feita através do sensor indutivo, o próximo passo é a abertura da porta A para iniciar a dosagem. A velocidade de abertura e fechamento e a distância que deverá ser aberta a tampa para a dosagem será determinada pela equação:
Onde:
k1 e k2- constantes; p - peso medido;
v - vazão mássica de ração (variação do peso no tempo).
As constantes k1 e k2 serão determinadas através de testes práticos, a variável p será medida pelo sensor (célula de carga) e a variável v será calculada pela CLP (controlador lógico programável). Portanto pode-se dizer que todo o acionamento do sistema será realizado pela resolução da equação programada no CLP que precisa estar lendo constantemente os valores medidos pela célula de carga.
Quando for igualado o resultado da equação com o peso desejado a tampa A já deverá estar fechada, por isso a importância da programação correta do sistema, pois ele deverá prever o tempo de fechamento da tampa para que no momento em que ela fechar o peso esteja certo. Feito isso a dosagem esta finalizada, resta agora liberar a ração, para liberá-la o CLP aciona o motor B que abre a tampa B e libera a ração dosada, neste mesmo ciclo de abertura é efetuado o fechamento da tampa, liberando o sistema para um novo ciclo de dosagem.
4.2.3.1 Controlador Lógico Programável (CLP)
É um aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenar internamente instruções e para implementar funções específicas, tais como lógica, seqüenciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando, por meio de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos. A Figura 20 ilustra um modelo de CLP.
4.2.3.2 Sensores
Um sensor pode ser definido simplesmente como “aquilo que sente”. Na eletrônica, um sensor é conhecido como qualquer componente que possibilite a análise de uma determinada condição do ambiente, podendo ela ser algo simples como temperatura ou luminosidade. No protótipo do dosador de ração foram utilizados dois tipos de sensores, o indutivo e a célula de carga. A Figura 21 ilustra os dois sensores utilizados.
• Sensor indutivo: é um sensor que detecta presença de materiais condutores de energia elétrica, de natureza metálica. Sua função no protótipo é a identificação do fechamento da tampa do recipiente menor;
• Célula de carga: é um transdutor que é utilizado para converter uma força física em sinal elétrico proporcional. O princípio de funcionamento das células de carga baseia-se na variação da resistência ôhmica de um sensor denominado extensômetro (strain gage), quando submetido a uma deformação. Sua função no protótipo é medir o peso que é incrementado no recipiente de dosagem. O Anexo A ilustra o catálogo do sensor utilizado.
Figura 21 – Sensores utilizados no protótipo. Esquerda: Sensor indutivo. Direita: Célula de carga. Fonte: Portal da célula de carga
4.2.3.3 Atuadores
Os atuadores são elementos usados para executar, fisicamente, as instruções do controlador, são como “mãos” do controlador que geralmente tem capacidade para ativar uma grande variedade de componentes que atuarão sobre o sistema. Como exemplo, pode-se citar atuadores de movimento desempenhado por cilindros pneumáticos ou cilindros hidráulicos e motores (dispositivos rotativos com acionamento de diversas naturezas). Na construção do protótipo foram utilizados dois motores CC de 12 V como atuadores do sistema, ambos tem a
função de abrir e fechar a tampa dos dois recipientes. A Figura 22 ilustra o modelo de atuador utilizado no protótipo.
CONCLUSÃO
Há inúmeros processos agrícolas que podem ser automatizados, mas todos estes produtos, com alta tecnologia, possuem custo de aquisição alto e a maioria das pessoas que moram na zona rural, ainda não tem condições econômicas para adquirir tais equipamentos.
Uma alternativa para tentar diminuir custos é adaptar os equipamentos existentes nas pequenas propriedades e automatizar somente as tarefas mais importantes no processo. E neste conceito que foi elaborado o projeto do carrinho dosador de ração, para atender as necessidades dos clientes, com custo baixo.
Analisando o item de precisão de dosagem, pode-se dizer que foram alcançados resultados satisfatórios, pois as variações encontradas ficam dentro do especificado pelo cliente, conforme foi observado na casa da qualidade. Quanto a agilidade no processo de dosagem, pode-se dizer que a abertura da tampa A ficou lenta devido ao mecanismo que aciona seu fechamento ser um fuso com uma rosca com passo de 2 mm, mas ainda atende as necessidades do projeto, pois comparando com o processo manual, o projeto ainda seria em torno de 1,5 vezes mais rápido. Então pode-se concluir que o protótipo construído atende as satisfatoriamente as necessidades do projeto mantendo um custo de aquisição baixo.
Como sugestões de trabalhos futuros, é proposta a substituição dos mecanismos de abertura e fechamento das tampas, que são realizados por um fuso e uma came, por cilindros pneumáticos, que possuem velocidades de acionamento mais elevada o que melhoraria a agilidade no processo.
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