Estudo, projeto e desenvolvimento de uma máquina para montar e vincar sacos de papel

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Jorge Miguel Silva da Costa

Estudo, projeto e desenvolvimento de uma

máquina para montar e vincar sacos de

papel

Tese de Mestrado

Ciclo de Estudos Integrados Conducente ao

Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Trabalho efetuado sob a orientação de

Professor Doutor Luís Ferreira da Silva

Professor Doutor Eurico Seabra

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DECLARAÇÃO

Nome: Jorge Miguel Silva da Costa

Correio eletrónico: link_1569_doc@hotmail.com Tel. / Tlm.: 919748483

Número do Cartão de Cidadão: 14039439 7 ZZ2 Título da dissertação:

Estudo, Projeto e desenvolvimento de uma máquina para montar e vincar sacos de papel Ano de conclusão: 2015

Orientador(es): Professor Luís Ferreira da Silva e Professor Eurico Seabra Designação do Mestrado:

Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Área de especialização: Tecnologias de Manufatura

Escola: Escola de Engenharia

Departamento: Departamento de Engenharia Mecânica

De acordo com a legislação em vigor, não é permitida a reprodução de qualquer parte desta dissertação

Guimarães, ____/ _____/ ________

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AGRADECIMENTOS

Este projeto representa o fim de um ciclo de estudos, e gostaria de agradecer a todos que de uma forma ou outra contribuíram para a realização deste trabalho.

Primeiramente gostaria de agradecer aos meus orientadores, Professor Luís Ferreira da Silva e Professor Eurico Seabra por toda a sua disponibilidade e orientação ao longo deste projeto. Ao Sr. Jorge Lopes pelo interesse demonstrado neste projeto e por ter disponibilizado uma visita às instalações da empresa JORLOP.

Aos meus amigos de longa data e aqueles que conheci durante o meu percurso académico, pelo apoio e amizade.

Por fim à minha família, em particular aos meus pais, irmãos e avós que sempre apoiaram e encorajaram nos momentos mais difíceis. Um agradecimento muito especial à minha mãe que apesar de estar longe foi o meu grande apoio ao longo do meu percurso académico e sem ela nada disto seria possível.

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RESUMO

O tema desta dissertação de mestrado é o projeto e desenvolvimento de um equipamento automatizado para a produção de sacos de papel. No desenvolvimento do equipamento foram consideradas para a sua automatização, etapas menos comuns, como colocação de reforços de abas e de fundo e também a dobragem da aba superior. O equipamento tem de realizar todas as tarefas sem intervenção do operário e no seu desenvolvimento deve ser tido em consideração a inovação, custo reduzido, simplicidade, fiabilidade e ergonomia.

Nesse sentido foi necessário estudar o processo manual de feitura de sacos e fazer uma pesquisa detalhada de equipamentos para a produção de sacos de papel disponíveis no mercado, com o objetivo futuro de otimização das suas caraterísticas e funcionalidades em termos de simplicidade e segurança na sua utilização e custo reduzido.

Pretende-se incluir neste desenvolvimento do equipamento todas as fases do projeto concetual, desde o estabelecimento de objetivos e especificações, até à definição de funções, elaboração de soluções alternativas e seleção da solução final.

Numa fase posterior foi realizado, a seleção de materiais e dimensionamento de componentes, a modelação tridimensional do equipamento e uma lista detalhada de peças.

Por fim foi efetuado o projeto de automação do equipamento, e a sua simulação num programa informático.

Em conclusão pretende-se obter um produto que satisfaça as necessidades específicas do cliente, aumentando a cadência de produção com o mínimo custo de produção do equipamento. A dissertação terminou com uma reflexão sobre o trabalho realizado.

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ABSTRACT

The subject of this master thesis is the design and development of an automated equipment for the production of paper bags. In the development of the equipment, it shall be taken into consideration in the automation process, steps less common such as placing reinforcements and also folding the top flap. The equipment must perform all tasks without the interference of the operator. In the development of this equipment shall be taken into account innovation, reduced cost, simplicity, reliability and ergonomics.

To do so it was necessary to study the manual process of making bags and make a detailed research of equipment for production of paper bags available in the market, with the future goal of optimization of it’s features and functionality in terms of simplicity, low manufacturing costs and safety usage.

It was intended to include in the development of this equipment all phases of conceptual design, since the establishment of objectives and specifications, to the definition of functions, development of alternatives and selection of the final solution.

At a later stage it was performed a selection of materials and project of components, the 3D model of the equipment and a detailed list of componentes.

Finally the automation project of the equipment was carried out, with it’s simulation done in a computer software.

In conclusion it was intended to obtain a product that meets the customer's specific needs, increasing the rate of production with minimum production cost of the equipment. The dissertation ends with a reflection on the work done.

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ÍNDICE GERAL

AGRADECIMENTOS... I RESUMO ... III ABSTRACT ... V ÍNDICE DE FIGURAS ... VIII ÍNDICE DE TABELAS ... IX 1. INTRODUÇÃO ... 1 1.1. MOTIVAÇÃO ... 2 1.2. OBJETIVOS ... 2 1.3. ESTRUTURADORELATÓRIO ... 2 2. ESTADO DA ARTE ... 4 2.1. PESQUISADECAMPO ... 4 2.2. ESPECIFICAÇÕES ... 5 2.3. SOLUÇÕESEXISTENTES ... 5

2.4. SUB-SISTEMASDEEQUIPAMENTOSIDENTIFICADOS ... 6

2.4.1. PAPER BAG MAKER ZB960C ... 6

2.4.2. PAPER BAG FOLDING MACHINE MAKER ZB1100B ... 7

2.4.3. DOBRADREIRA E COLADEIRA DE FUNDO DE SACOLA CHBS-600 ... 8

2.4.4. SHEET FED PAPER BAG MACHINE HD-340 ... 9

2.5. PROCESSODEFEITURADOSACO ... 10

3. PROJETO CONCEPTUAL ... 12

4. PROJETO DE DETALHE ... 13

5. PROJETO DE AUTOMATIZAÇÃO... 14

5.1. ESTRUTURADEAUTOMAÇÃODOEQUIPAMENTO ... 14

5.1.1. TIPO DE SENSORES UTILIZADOS ... 15

5.1.2. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL ... 16

5.1.3. VÁLVULAS DIRECIONAIS ELETROPNEUMÁTICAS ... 17

5.2. SISTEMAIMPLEMENTADO ... 18

5.3. SISTEMADECOMANDODOEQUIPAMENTO ... 29

5.4. IMPELEMENTAÇÃODOGEMMA ... 30

5.4.1. GRAFCET DE NÍVEL SUPERIOR ... 31

5.4.2. RESTANTES MODOS DE FUNCIONAMENTO GEMMA ... 32

6. CONCLUSÃO ... 34

6.1. CONCLUSÃO ... 34

6.2. TRABALHOFUTURO ... 35

7. BIBLIOGRAFIA ... 37

ANEXO A – PROCESSO MANUAL DE FEITURA DOS SACOS ... 39

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ANEXO C – ABACO E CATÁLOGO DE SELEÇÃO DO FUSO DE ESFERAS ... 43

ANEXO D – FICHA TÉCNICA DE MOTORES ELÉTRICOS ... 48

ANEXO E – CATÁLOGO DE SELEÇÃO DE CORREIAS DENTADAS ... 50

ANEXO F – CATÁLOGO DE UNIÃO DE VEIOS FLÉXIVEL EM CRUZETA ... 57

ANEXO G – ROLAMENTOS E MANCAIS SKF ... 59

ANEXO H – ROLAMENTO LINEAR, VEIO E ACESSÓRIO DE SUPORTE ... 68

ANEXO I – CARATERÍSTICAS DE COMPONENTES PNEUMÁTICOS SELECIONADOS ... 72

ANEXO J – CATÁLOGO DE ROLETES INTERROLL ... 84

ANEXO K – CATÁLOGO DE ROLOS DE ALINHAMENTO SCHWALB ... 89

ANEXO L – DIMENSÕES DOS COMPONENTES DO MÓDULO 3 ... 91

ANEXO M – DIMENSIONAMENTO DO TAPETE E TRANSMISSÃO (MÓDULO 5) ... 94

ANEXO N – CÁLCULOS AUXILIARES NO DIMENSIONAMENTO DO VEIO ... 95

ANEXO O – LISTA DE PEÇAS ... 98

ANEXO P – GRAFCET’S DE CADA MODO DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA ... 99

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 – Saco montado de aba aberta ... 4

Figura 2 – Saco montado de aba fechada ... 4

Figura 3 – Paper Bag Maker ZB960C [1] ... 6

Figura 4 – Paper Bag Folding Machine Maker ZB1100B [3] ... 8

Figura 5 - Dobradeira e coladeira de fundo de sacola de papel CHBS-600 [5] ... 8

Figura 6 – Sheet Fed Paper Bag Machine HD-340 [8] ... 9

Figura 7 – Processo de dobra e colagem para a formação do “tubo” do saco de papel ... 10

Figura 8 – Processo de dobra e colagem para selagem do fundo do saco de papel ... 10

Figura 9 – Principais elementos de automação ... 15

Figura 10 – Sensor de proximidade SME-8M da FESTO [20] ... 15

Figura 11 – Sensor indutivo SIEH da FESTO [20] ... 15

Figura 12 – Sensor mecânico D4N da OMRON [43] ... 16

Figura 13 – Estrutura de um autómato programável [39] ... 16

Figura 14 – PLC CPIE-E60SDR-A da FESTO [43] ... 17

Figura 15 – Válvula solenoide da gama VUVG configurável da FESTO [20] ... 17

Figura 16 – Válvula solenoide 3/2 da gama MFH da FESTO [20] ... 17

Figura 17 – Sistema de alimentação de folhas (Diagrama Automation Studio) ... 18

Figura 18 – Colocação dos reforços de aba (Diagrama Automation Studio) ... 20

Figura 19 – Alteração do sentido de transporte da folha (Diagrama Automation Studio) ... 22

Figura 20 – Formação do saco de fundo aberto (Diagrama Automation Studio) ... 23

Figura 21 – Colocação do reforço de fundo (Diagrama Automation Studio) ... 24

Figura 22 – Dobra das abas laterais do fundo do saco (Diagrama Automation Studio) ... 26

Figura 23 – Alteração do sentido de transporte do saco (Diagrama Automation Studio) ... 27

Figura 24 – Dobragem das abas de fundo do saco (Diagrama Automation Studio) ... 28

Figura 25 – Painel de comando do equipamento ... 29

Figura 26 – Grelha geral do GEMMA [39] [40] ... 30

Figura 27 – Exemplo de um GRAFCET [39] ... 31

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ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1 – Especificações do processo de montagem de sacos de papel ... 5

Tabela 2 – Equipamentos existentes para a produção de sacos de papel ... 6

Tabela 3 - Paper Bag Maker ZB960C [2] ... 7

Tabela 4 – Paper Bag Folding Machine Maker ZB1100B [4] ... 8

Tabela 5 - Dobradeira e coladeira de fundo de sacola de papel CHBS-600 [7] ... 9

Tabela 6 – Sheet Fed Paper Bag Machine HD-340 [9]... 10

Tabela 7 – Componentes necessários à automatização do módulo 1 ... 19

Tabela 8 - Componentes necessários à automatização do módulo 2 ... 21

Tabela 10 – Componentes necessários à automatização do módulo 4 ... 24

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INTRODUÇÃO

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1. INTRODUÇÃO

O presente trabalho insere-se no plano de estudos do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica da Universidade do Minho, com especialização em Tecnologias da Manufatura, no qual se pretende o desenvolvimento de um equipamento automatizado para a produção de sacos de papel.

Este projeto surgiu de uma necessidade da empresa JORLOP, sediada em Guimarães, em aumentar a sua produção de forma a dar resposta ao crescimento das encomendas. A empresa JORLOP foi fundada em Fevereiro de 1996 e comercializa principalmente embalagens de plástico e papel. A empresa cresceu de forma sustentada, sendo hoje líderes de mercado no setor de impressão saco a saco, com produtos de qualidade e preços competitivos.

É na instalação principal da empresa, localizada no parque industrial de Sezim, Candoso St. Tiago em Guimarães, que é realizado design e impressão da folha e também o processo de pré-vincagem quando aplicável. As folhas têm vários tamanhos e cores, espessuras de papel variada e tem também a opção de sacos plastificados.

Numa segunda fase as folhas são transportadas para uma outra instalação da empresa, situada na Rua 14 de Dezembro, Candoso Santiago em Guimarães, onde a folha é transformada num saco de papel. Aos sacos são adicionados reforços de abas e também um reforço de fundo para tornar o saco mais consistente, permitindo a sua reutilização várias vezes.

O processo de produção de sacos é realizado manualmente, o que não possibilita cadências de produção elevadas, torna difícil a repetibilidade e rigor do processo produtivo e não permite a produção em série. Nesse sentido surge a necessidade de inovação e desenvolvimento num ramo de negócio que está pouco desenvolvido localmente, onde a produção de sacos é realizada manualmente recorrendo a moldes caseiros.

O desenvolvimento de um equipamento automatizado para a produção de sacos de papel permite satisfazer os requisitos anteriormente referidos e com isso contribuir para o crescimento da empresa. Existem já alguns equipamentos com um certo grau de automação, mas poucos são os que colocam reforços de abas e de fundo ou completam o processo produtivo sem intervenção humana.

Torna-se, portanto, necessário fazer um levantamento de soluções já existentes no mercado e tentar inovar, indo de encontro às necessidades expostas pela empresa JORLOP.

Resumidamente a funções que o equipamento deve desempenhar são adicionar cola à folha no locais pretendidos, colocar reforços de abas e de fundo, executar os vincos e dobras necessárias, formar o tubo do saco, fechar o fundo do saco e espalmar este para a sua forma final. Pretende-se a automatização de todas estas funções, ou Pretende-seja, após a colocação da folha no equipamento, este deve fazer a produção do saco de forma totalmente automática. É no entanto necessário colocar a folhas no equipamento assim como os reforços e fazer o abastecimento do reservatório de cola quando necessário.

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INTRODUÇÃO

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1.1. MOTIVAÇÃO

A produção automatizada de sacos de papel é uma área de mercado ainda pouco desenvolvida a nível nacional. Sacos de qualidade usados por exemplo em estabelecimentos de roupa requerem um saco fiável com reforços de abas e de fundo para melhor suportar o peso a transportar. Incluir no processo de automatização a colocação de reforços e a dobragem do fundo do saco é um desafio aliciante pelo facto de ainda não existir um equipamento que realize todas operações para a produção do saco juntamente, como as referidas anteriormente. Dado que este projeto proporciona a utilização e consolidação de conhecimentos adquiridos ao longo do curso, e pelo facto de este tema em particular ser uma necessidade exposta ao Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho por uma empresa local (JORLOP) é uma motivação extra por ser um projeto não meramente académico mas do qual pode no futuro resultar a construção de um modelo físico para servir as necessidades da referida empresa.

1.2. OBJETIVOS

Durante o processo de montagem de sacos de papel de forma totalmente automatizada existem diversas variáveis que devem ser controladas rigorosamente para um produto final com qualidade. Nesse sentido é importante conceber um equipamento com um projeto mecânico bem estruturado e dimensionado. Pretende-se ainda implementar um sistema de controlo automático do equipamento ajustado para um tamanho de folha em particular. A automatização que se pretende implementar no equipamento tem como objetivo aumentar a cadência de produção de sacos de papel, baixando o custo por unidade sem no entanto prejudicar a qualidade final do produto.

1.3. ESTRUTURA DO RELATÓRIO

Considerou-se necessário iniciar a dissertação apresentando alguns conceitos necessários à elaboração deste tipo de projeto, seguindo-se a apresentação final do projeto do equipamento propriamente dito. A dissertação divide-se em 7 capítulos, com o conteúdo de cada capítulo explicado a seguir.

No capítulo 1 é feita uma introdução ao tema da dissertação e apresentando os principais objetivos a alcançar. No capítulo 2 é apresentado o estado da arte, na qual está incluída uma pesquisa de campo, especificações do produto a conceber, análise de soluções existentes e também a identificação de subsistemas em cada equipamento analisado. No capítulo 3 é iniciado o projeto conceptual, com a análise dos objetivos de projeto, a elaboração da estrutura de funções e especificação do produto, e por fim a apresentação de soluções alternativa e a seleção da solução conceptual.

O capítulo 4 apresenta o trabalho desenvolvido com vista ao projeto do equipamento nomeadamente o dimensionamento de componentes chave e também a seleção vários

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INTRODUÇÃO

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componentes de série. Este capítulo está divido por vários módulos de acordo com a divisão em subconjuntos do próprio equipamento. No capítulo 5 é apresentado projeto de automação do equipamento, no qual se incluí uma listagem de atuadores e sensores e também a elaboração do GEMMA.

Por fim é apresentado no capítulo 6 uma listagem de componentes selecionados ao longo do projeto.

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ESTADO DA ARTE

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2. ESTADO DA ARTE

Este capítulo tem como objetivo abordar a teoria necessária para o desenvolvimento do presente projeto. É abordado o princípio manual de feitura de sacos e também os equipamentos já existentes no mercado. São definidas as especificações do produto e estudadas as ações necessárias à obtenção de um saco de papel com reforços de aba e de fundo através de um equipamento totalmente automatizado.

2.1. PESQUISA DE CAMPO

O estudo do processo manual de formação de sacos de papel é de especial importância, pois será o ponto de partida para o desenvolvimento de um equipamento automatizado para realizar a mesma tarefa. Nesse sentido foi realizada uma visita às instalações da JORLOP, onde foi possível assistir à montagem do saco, desde uma simples folha de papel, à formação do saco de papel e até à última etapa que consiste em espalmar o saco para permitir o empilhamento destes.

No processo de formação dos sacos verificou-se que existem ligeiras diferenças na montagem dos sacos. Estas diferenças podem-se agrupar em dois grupos de montagem de sacos, ou seja, os sacos de aba aberta (figura 1) e os sacos de aba fechada (figura 2).

Figura 1 – Saco montado de aba aberta Figura 2 – Saco montado de aba fechada

Os sacos de aba fechada não são previamente vincados nos locais das dobras e o fecho da aba ocorre antes do processo de montagem do saco, como exposto no anexo A. Para este tipo de saco é normalmente utilizado um papel plastificado que é mais resistente e a emenda formada na aba no fecho do saco aguenta bem os esforços a que é sujeita, na utilização do saco.

Os sacos de aba aberta são previamente vincados, no momento de corte da folha, e o fecho da aba só acorre após a montagem do saco estar concluída. Como o tipo de papel utilizado nestes sacos é mais frágil qualquer esforço nas emendas da aba (na zona de fecho do saco) poderia originar uma descolagem ou rasgar o saco por essa zona.

Por essa razão só após o saco ser colado lateralmente é que se procede ao fecho da aba, deixando a emenda voltada para o interior do saco, criando um reforço na emenda e resistindo melhor aos esforços.

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ESTADO DA ARTE

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2.2. ESPECIFICAÇÕES

Alguns dos parâmetros mais importantes da produção manual de sacos de papel são apresentados na tabela 1. Estes parâmetros serão considerados no projeto de automatização do sistema. As especificações de cada saco podem variar ligeiramente, dependendo da função que cada saco irá ter.

Tabela 1 – Especificações do processo de montagem de sacos de papel

Tipo de cola

Cola branca especialmente desenvolvida para papel da marca Mecanosystem com um tempo de secagem longo

Especificação do tempo de montagem e vincagem de cada saco

Saco pequeno 20 segundos

Saco grande 30 segundos

Especificação do reforço de aba e de fundo

Gramagem (Cartolina) 300 a 400 g/m2

Gramagem do reforço para saco pequeno 300 g/m2

Gramagem do reforço para saco grande Até 400 g/m2

Altura da aba saco pequeno / grande 40 mm / 45 mm

Largura do reforço de aba Menos 2 cm de cada lado em relação ao saco

Reforço de fundo Menos 1 mm em relação à largura e

comprimento do saco

Especificações do papel do saco

Gramagem 120 g/m2_{a 250 g/m}2

Máquina de impressão e corte 70 x 100 cm (valores máximos)

De salientar que os tempos de montagem e vincagem de sacos especificado na tabela 1 foram determinados na visita realizada à empresa JORLOP, ao visualizar o processo manual de montar e vincar os sacos de papel, com a cronometragem do tempo de execução.

2.3. SOLUÇÕES EXISTENTES

Para o projeto e conceção de um novo equipamento é importante ter uma noção das soluções existentes no mercado, para poder inovar e fazer melhor do que aquilo que já existe. Nesse sentido foi realizada uma pesquisa bibliográfica e também de patentes para identificar os equipamentos já existentes com a mesma finalidade.

Constatou-se a existência de vários equipamentos em que as diferenças de um equipamento para outro são muito poucas. No entanto nos equipamentos identificados verificou-se que estes não executavam na totalidade todos os passos para a montagem do saco de papel de forma automática. Em alguns casos as folhas de papel eram introduzidas manualmente no equipamento, noutros era apenas realizada a montagem do saco com fundo aberto e depois os sacos eram transportados por um operador para outra máquina para colocar manualmente o

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ESTADO DA ARTE

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equipamentos identificados a situação mais frequente prendia-se com o facto de os sacos produzidos não terem reforços de abas nem de fundo, ou quando tinham estes eram colocados manualmente. Na tabela 2 são apresentados alguns dos equipamentos identificados cuja relevância para este projeto é maior.

Tabela 2 – Equipamentos existentes para a produção de sacos de papel

Nome Marca Modelo

Paper Bag Maker Wenzhou Zenbo Printing

Machinery Co., Ltd. ZB960C [1] [2]

Paper Bag Folding Machine Maker Wenzhou Zenbo Printing

Machinery Co., Ltd. ZB1100B [3] [4]

Dobradeira e coladeira de lateral

de sacolas de papel For Ex Consulting CHTM1600cp [5] [6]

Dobradeira e coladeira de fundo

de sacola de papel For Ex Consulting CHBS-600 [5] [7]

Sheet Fed Paper Bag Machine Wuxi Nanjiang Paper Package

Machinery Co., Ltd. HD-340 [8] [9]

Shopper bag machine to produce

bag tube Fidia Macchine Grafiche S.r.l. VAMPA TREVI [10]

Shopper bag machine to close

square bottom bag Fidia Macchine Grafiche S.r.l. NAVONA [11]

De salientar que alguns dos equipamentos citados apenas formam o tubo do saco e outros apenas executam as dobragens das abas do fundo do saco. No subcapítulo 2.4 estão detalhados os equipamentos identificados na tabela 2.

2.4. SUB-SISTEMAS DE EQUIPAMENTOS IDENTIFICADOS

Os principais sub-sistemas, funções e componentes mecânicos dos equipamentos identificados na tabela 2 são exibidos nesta secção. De ressaltar que os equipamentos citados têm um funcionamento semelhante, pelo que apenas serão referidas as funções e meios para executar essa função que mais divergem.

2.4.1. PAPER BAG MAKER ZB960C

O equipamento identificado na figura 3 realiza todas as etapas na montagem dos sacos. No entanto os sacos montados por este equipamento não possuem reforços de aba ou de fundo.

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ESTADO DA ARTE

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Após uma análise ao funcionamento deste equipamento foram identificadas algumas das suas principais funções. A tabela 3 descreve todas as funções do equipamento.

Tabela 3 - Paper Bag Maker ZB960C [2]

Função Descrição Imagem

Alinhamento das folhas

As folhas são alinhadas e empilhadas manualmente sobre uma plataforma que sobe à medida que as folhas são retiradas.

Manipulação das folhas

É utilizado um sistema de 4 ventosas a vácuo.

Transporte das folhas

É usado um tapete transportador em conjunto com um sistema de roldanas que impede o deslocamento e levantamento das folhas.

Adição de cola na lateral

A cola é pulverizada na lateral da folha por meio de um injetor que é acionado por um sensor.

Dobragem das folhas

São utlizados uma forma de limitar sob a forma de cinta que força a dobragem da folha. Para a vincagem é utilizado uma espécie de réguas limitadoras que vincam a folha pela zona pretendida.

Vincagem nas laterias do saco

Guias que passam no interior do saco forçam este a formar um “tubo”. A vincagem na lateral do saco é efetuada por discos de diâmetro crescente colocados a meia altura.

Saco espalmado Duas rodas alinhadas com os vincos efetuados

na lateral dos sacos pressionam o saco nessa zona.

Colagem e dobragem do fundo

Desconhecido.

Saída dos sacos Sacos são transportados por um cilindro e

agrupados em zona com batente.

2.4.2. PAPER BAG FOLDING MACHINE MAKER ZB1100B

O equipamento identificado na figura 4 difere do anterior no modo como as folhas são transportadas e na forma como é colocada cola na folha que dá origem ao saco. Como no caso anterior, os sacos montados por este equipamento não possuem reforços de aba ou fundo.

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ESTADO DA ARTE

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Figura 4 – Paper Bag Folding Machine Maker ZB1100B [3]

Na tabela 4 apenas estão listadas as funções que divergem em relação ao equipamento apresentado na figura 3, relacionadas principalmente com a forma de transporte das folhas ao longo do equipamento e também na forma de adição de cola antes da montagem do saco de fundo aberto.

Tabela 4 – Paper Bag Folding Machine Maker ZB1100B [4]

Transporte O transporte é efetuado por um sistema

de rolos e roldanas sem tapete transportador.

Adição de cola lateral Sistema constituído por 4 rodas e uma

correia plana que mergulha por meio da roda maior (parcialmente submersa) num recipiente com cola. A cola adere à folha quando esta passa pela roda inferior que é pressionada contra a folha.

2.4.3. DOBRADREIRA E COLADEIRA DE FUNDO DE SACOLA CHBS-600

O equipamento identificado na figura 5 executa apenas funções relacionadas com as dobras e fecho do fundo do saco. Após montagem do tubo do saco (com fundo aberto) em outro equipamento, este é empilhado juntamente com outros sacos, e posteriormente são colocados reforços de fundo manualmente e transportados por um operador para o equipamento da figura 5, onde são inseridos manualmente para as operações de dobra e colagem das abas de fundo.

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ESTADO DA ARTE

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Na tabela 5 estão identificadas as principais funções relacionadas com as dobras e colagem das abas do fundo saco.

Tabela 5 - Dobradeira e coladeira de fundo de sacola de papel CHBS-600 [7]

Alimentação dos sacos

Os sacos são de fundo aberto introduzidos no equipamento por um operário.

Transporte do saco Os sacos são transportados por um tapete

transportador em conjunto com uma espécie de régua que exercem pressão junto do saco contra o tapete.

Colagem do fundo São utilizados 2 injetores de cola quente para

adicionar cola nas partes mais exteriores. Mais à frente um novo conjunto de injetores adiciona cola numa posição mais interior.

Dobragem do fundo Um conjunto de réguas limitadoras e guias

que manipular as abas permitem dobrar o fundo, com este a aderir à cola.

Espalmamento dos sacos

Conjunto de 6 roletes em fila e suspensos espalmam o saco na sua passagem.

2.4.4. SHEET FED PAPER BAG MACHINE HD-340

O equipamento apresentado na figura 6 é em termos funcionais muito semelhante ao equipamento apresentado na figura 3. A particularidade deste equipamento está na forma como as abas de fundo são dobradas e coladas.

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ESTADO DA ARTE

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A informação que foi possível apurar em relação ao modo como é processado o fecho do fundo do saco foi pouca, sendo que na tabela 6 encontra-se explicado de forma simples como é efetuado este processo.

Tabela 6 – Sheet Fed Paper Bag Machine HD-340 [9]

Colagem e dobragem do fundo

O saco é conduzido para um tambor rotativo, que com o auxílio de guias permite abrir o fundo do saco e é acrescentada cola por meio de um injetor. Posteriormente é utilizada uma forma de guilhotina para dobrar e fechar o fundo do saco.

2.5. PROCESSO DE FEITURA DO SACO

A maioria dos equipamentos disponíveis no mercado tem uma sequência de montagem dos sacos muito semelhante aos processos identificados na figura 7 e figura 8, onde está representado um esquema típico de montagem de sacos de papel.

Na figura 7 são apresentados os passos que levam à obtenção de um saco montado com fundo aberto, desde um simples folha de papel até à adição de cola e dobras que são efetuadas.

Figura 7 – Processo de dobra e colagem para a formação do “tubo” do saco de papel

Na figura 8 são apresentados os passos para fechar o fundo do saco. É de salientar que as dobras efetuadas para obtenção do saco na primeira etapa da figura 8 a partir do saco de fundo aberto (última etapa da figura 7), são efetuadas manualmente.

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ESTADO DA ARTE

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Como já foi mencionado anteriormente o processo produtivo de sacos de papel necessita de englobar a colocação de reforços de abas e reforços de fundo. Esta necessidade de colocação de reforços é uma das principais exigências por parte da empresa JORLOP, que produz sacos de papel de qualidade, robustos e resistentes.

A solução produtiva representada na figura 7 e na figura 8 permite efetuar tal operação. No entanto para a colocação do reforço de fundo será necessário uma ligeira modificação no processo produtivo acima apresentado, o qual será abordado mais adiante nesta dissertação. Foi ainda feita uma pesquisa na tentativa de encontrar soluções alternativas no processo de montagem, mas a solução apresentada na figura 7 e na figura 8 é a que reúne mais condições quer do ponto de vista de competitivo, ou seja, cadência de produção e qualidade do produto, quer do ponto de vista de colocação de reforços.

A passagem do saco montado e já vincado nas laterais para o saco com as abas de fundo já dobradas constituiu mais um desafio na elaboração deste trabalho, uma vez que, a informação recolhida durante esta pesquisa não permitiu clarificar o processo de dobra das abas de fundo do saco de papel.

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PROJETO DE DETALHE

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3. PROJETO CONCEPTUAL

RETIRADO POR QUESTÕES DE

CONFIDENCIALIDADE

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PROJETO DE DETALHE

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4. PROJETO DE DETALHE

RETIRADO POR QUESTÕES DE

CONFIDENCIALIDADE

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PROJETO DE AUTOMATIZAÇÃO___

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5. PROJETO DE AUTOMATIZAÇÃO

Os sistemas automatizados têm vindo a evoluir de forma complexa, tornando a definição dos modos do seu funcionamento e paragem cada vez mais complicada. De forma a contornar esse obstáculo foi desenvolvido o GEMMA (Guide d'Étude des Modes de Marches et d'Árrêts). Nesse sentido através de um vocabulário simples, o GEMMA facilita o diálogo entre todos os técnicos envolvidos na definição do sistema. Assim, é importante nomear que o formalismo em estudo é um método que permite definir os modos de funcionamento e paragem de um sistema automatizado de produção [39].

Num primeiro momento devem ser definidos os modos de funcionamento ou paragem do sistema utilizando critérios definidos de forma básica, independente do tipo de sistema ou tecnologia de comando a ser adotada.

Posto isto, devem ser estabelecidas as ligações possíveis entre os modos selecionados. De citar que essas ligações indicam as condições necessárias para a evolução entre os módulos. O documento assim estabelecido representa a análise detalhada dos modos de marcha e paragem do sistema. Assim, tendo como base esse documento é possível que sejam criados todos os Grafcet's que definem as especificações de funcionamento da Parte de Comento de um SAP.

De referir que o formalismo em estudo é o resultado de uma pesquisa coletiva que pode ser alterado a qualquer momento, ou seja, deve ser encarado como uma proposição suscetível de ser melhorado após a colocação em funcionamento do sistema.

De citar ainda que, o GEMMA é uma ferramenta de auxílio na síntese do " Caderno de Especificações" do sistema, e por isso deve acompanhar o seu ciclo de visa de forma a ajudar no seu funcionamento, manutenção e evolução [39].

No âmbito do presente projeto, pretende-se implementar o comando de um sistema de produção de sacos de papel, incluindo a colocação de reforços e dobragem da aba superior. Assim, após uma introdução ao trabalho desenvolvido, é abordado neste capítulo o respetivo GEMMA, tendo em conta todos os estados indispensáveis para o funcionamento do SAP em estudo.

Por fim é efetuada a implementação do GEMMA pelo método de "coordenação vertical", terminando a simulação do funcionamento do sistema no software Automation Studio 5.0.

5.1. ESTRUTURA DE AUTOMAÇÃO DO EQUIPAMENTO

Na estrutura de automação que se pretende implementar será utilizado um PLC (Autómato lógico programável), que através de sinais de entrada enviados por exemplo por sensores, emite sinais de saída, que permitem a atuação de elementos que integram o sistema a controlar. Na figura 9 é apresentado um esquema simples com os principais elementos do processo de automação.

No decorrer deste capítulo foram analisados os tipos de sensores utilizados e também outros dos principais elementos utilizados no processo de automação.

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Figura 9 – Principais elementos de automação

5.1.1. TIPO DE SENSORES UTILIZADOS

Para determinar a posição de avanço ou recuo dos atuadores pneumáticos são utilizados sensores de proximidade do tipo indutivo como o exemplo ilustrado na figura 10. Este tipo de sensores usa campos magnéticos para detetar a presença de objetos. Um circuito elétrico é ligado a uma bobine que sofre influência do campo magnético. Quando um objeto entra no campo, a corrente na bobine muda e o circuito é aberto ou fechado, dependendo do propósito do sistema [42]. Outro tipo de aplicação para sensores indutivos, do tipo ilustrado na figura 11, pode ser a deteção de objetos metálicos pela alteração do campo magnético dos sensores ou então a situação inversa onde um objeto passa numa superfície metálica e altera o campo magnético de origem do sensor.

Figura 10 – Sensor de proximidade SME-8M da FESTO [20] Figura 11 – Sensor indutivo SIEH da FESTO [20] Outro tipo de sensor utilizado no equipamento é o sensor de contacto mecânico, apresentado na figura 12, que vai ser utilizado por exemplo no fim de curso dos fusos de esferas. Este tipo de sensor é ativado por recurso mecânico como por exemplo switches. Atuando como sensores de fim de curso e aplicando ao caso prático de uma plataforma que se desloca em fusos de esferas (exemplificado na Erro! A origem da referência não foi encontrada.), o seu objetivo é evitar que

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chegar ao seu ponto máximo. Isso poderia forçar o mecanismo ou ainda causar uma sobrecarga do motor ou do próprio circuito de acionamento [42].

Figura 12 – Sensor mecânico D4N da OMRON [43]

5.1.2. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL

O autómato programável é descrito de forma simples como um equipamento que processa informação. É um controlador que analisa em permanência o estado dos equipamentos ligados às entradas. Baseado num programa / instrução escrita no processador e armazenada na memória, este controla os estados dos sistemas ligados às saídas [39], conforme ilustrado figura 13.

Figura 13 – Estrutura de um autómato programável [39]

Para poder controlar o equipamento de produção de sacos de papel é necessário um controlador lógico programável que controle os circuitos pneumáticos e elétricos. Neste caso os equipamentos ligados às entradas são os vários sensores instalados no equipamento, assim como os botões de controlo da máquina como o botão “Start”, “Stop”, paragem de emergência, entre outros. Já os equipamentos ligados às saídas são motores elétricos, atuadores pneumáticos e geradores de vácuo e injetores de cola. Estes componentes são controlados por

switches e relés no caso dos motores elétricos e injetores de cola, sendo que os componentes

pneumáticos são controlados por válvulas electropneumáticas, que em função dos equipamentos de entrada e da instrução contida no autómato geram as instruções de saída. Conforme é explicado no subcapítulo 5.2 no projeto de automação deste equipamento foram consideradas 51 entradas, divididas em 45 sensores e 6 botões de controlo do equipamento. Por sua vez o número de saídas consideradas é de 38, que vão acionar motores elétricos, injetores de cola e por meio de válvulas direcionais electropneumáticas vai acionar atuadores pneumáticos lineares e giratórios, garras pneumáticas e geradores de vácuo.

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Para o número de entradas e saídas consideradas foi selecionado o controlador lógico programável da figura 14, o PLC CP1E-E60SDR-A da FESTO. Este controlador compacto tem 36 entradas e 24 saídas digitais, permite até 3 unidades E/S (entrada / saída) expansíveis e tem uma capacidade de memória de 2000 passos.

Figura 14 – PLC CPIE-E60SDR-A da FESTO [43]

5.1.3. VÁLVULAS DIRECIONAIS ELETROPNEUMÁTICAS

As válvulas electropneumáticas teriam como função controlar os movimentos de dispositivos pneumáticos através da permissão e passagem de ar comprimido ou interrompendo a sua passagem. O controlo das válvulas electropneumáticas é efetuado por um controlador lógico programável.

O tipo de válvulas direcionais electropneumáticas utilizadas neste projeto de automação são do tipo 3/2, 5/2 e 5/3. As válvulas direcionais 3/2 têm 3 conexões e dois estados. Foram utilizadas neste projeto para o controlo de atuadores pneumáticos de simples ação, garras pneumáticas e geradores de vácuo. Estes componentes têm retorno mecânico por ação de uma mola. As válvulas 5/2 têm 5 conexões e dois estados. Este tipo de válvulas foi utilizado no projeto para controlo de atuadores pneumáticos lineares de dupla ação e também para atuadores rotativos. As válvulas direcionais 5/3 têm 5 conexões e 3 estados. O terceiro estado desta válvula não permite a entra nem a saída de ar do atuador. A válvula encontra-se neste estado quando nenhum dos dois solenoides da válvula se encontra atuado. Este tipo de válvula é de especial importância em situações em que por exemplo há um corte geral de energia ou é pressionado o botão de paragem de emergência, e se quer imobilizar os atuadores pneumáticos. A imobilização destes atuadores permite evitar acidentes graves em operadores do equipamento e também prevenir danos materiais devido quedas abruptas do de componentes pelo simples facto de um atuador estar a ser despressurizado por ter havido um corte de energia.

Figura 15 – Válvula solenoide da gama VUVG configurável da FESTO [20]

Figura 16 – Válvula solenoide 3/2 da gama MFH da FESTO [20]

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5.2. SISTEMA IMPLEMENTADO

Um dos objetivos desta dissertação é implementação de um sistema de comando para um sistema de produção de sacos de papel, incluindo a colocação de reforços e dobragem da aba superior.

O sistema em estudo é apresentado separadamente nas figuras seguintes, para facilitar a compreensão e descrição de cada parte do sistema. Os diagramas apresentados nas figuras seguintes foram elaborados no programa Automation Studio 5.0.

Cada figura corresponde a um módulo seguido de uma descrição do seu funcionamento e uma tabela com a listagem dos componentes essenciais no sistema de automatização.

Módulo 1 – Sistema de alimentação de folhas

Na figura 17 é apresentado o diagrama idealizado para o módulo com identificação de atuadores e sensores.

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Quando as folhas são colocadas na base de suporte, o sensor de proximidade S7 deteta a sua presença, indicando que há folhas para colocar no tapete transportador. É ligado o motor M1 que faz a base de suporte subir até que o sensor de contacto S6 é ativado, desligando o motor M1. Nessa altura é acionado v1 (válvula direcional 3/2) que permite a passagem de ar comprimido para os geradores de vácuo. Uma vez estabelecido o vácuo e após “agarrar” na folha de papel há indicação do sensor de pressão S3 para acionar v2 (válvula direcional 5/2), permitindo a passagem de ar comprimido para o atuador A1 estando a sua haste em posição avançada, transportando a folha para o módulo seguinte. Nessa posição é ativado o sensor S5 que desativa v1 e v2, cortando o ar comprimido a ambas as válvulas direcionais o que corta o vácuo nas ventosas (largando a folha) e faz recuar a haste do atuador. O sensor S4 deteta o atuador recuado e nessa altura o ciclo repete-se.

O sensor S2 é um sensor de fim de curso de segurança caso o sensor S6 falhe. Quando o sensor S6 deixa de estar atuador é ligado o motor M1, fazendo a base subir até que este volte a estar atuado. Se o sensor S7 deixa de detetar folhas na base de suporte, interrompe o funcionamento normal do equipamento e faz a base descer até à posição inferior (detetada pelo sensor S2) para fazer o reabastecimento de folhas de papel. Nessa altura por acionamento manual é possível colocar o equipamento em modo de produção normal. Resumidamente os componentes identificados na figura 17 estão listados na tabela 7.

Tabela 7 – Componentes necessários à automatização do módulo 1

Designação Sensores

S1 Responsável por desativar o motor elétrico quando a base atinge o nível de altura mínimo.

S2 Responsável por desativar o motor elétrico quando a base atinge o nível de altura máximo. Serve também como sensor de segurança case o sensor S6 falhe.

S3 Deteta a existência de vácuo nas ventosas.

S4 Sensor de fim de curso que deteta atuador A1 em posição recuada.

S5 Sensor de fim de curso que deteta atuador A1 em posição avançada.

S6 Quando o sensor deixa de estar atuado, o motor M1 liga e faz a base subir até esta estar novamente atuada. Este sensor é responsável por colocar a base à distância certa das ventosas.

S7 Deteta quando não existem folhas na base. Nesse caso o motor é ativado e a base desce até ao nível de altura mínimo, momento em que S1 deteta a base e desativa o motor.

Designação Atuadores e válvulas direcionais

k1 Quando o contacto k1 fecha, faz rodar o motor M1 no sentido horário, fazendo a base subir.

k2 Quando o contacto k2 fecha, faz rodar o motor M1 no sentido anti-horário, fazendo a base descer.

v1 Válvula direcional 3/2 mono-estável que quando atuada permite a entrada de ar no atuador de ação simples A1, fazendo este avançar.

v2 Válvula direcional 3/2 mono-estável que quando atuada permite a entrada de ar nos geradores de vácuo, criando-se vácuo nas ventosas.

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Módulo 2 - Colocação de reforços e dobra da aba

No diagrama correspondente ao módulo 2, apresentado na figura 18, o injetor de cola é representado por um atuador de simples ação. A válvula direcional ligada a este atuador apenas foi inserida no diagrama para controlo do injetor.

Figura 18 – Colocação dos reforços de aba (Diagrama Automation Studio)

Quando as folhas alcançam o tapete transportador (transportadas pelas ventosas do módulo anterior), estas entram em contacto com 3 rodas ligadas a uma veio e com movimento rotativo aplicado pelo motor M2. Este motor à semelhança do motor M3 responsável movimentar o tapete transportador têm movimento contínuo durante o normal funcionamento do equipamento. Com o avançar da folha no tapete esta é detetada pelo sensor S8 que por sua vez ativa a injeção de cola por parte do injetor (representado por válvula 3/2 e atuador pneumático monoestável). O tempo de injeção em cada aba é controlado automaticamente, dependendo da velocidade do tapete e da localização e comprimento de injeção pretendido.

Seguidamente há mais um sensor de proximidade que capta a presença da folha e ativa v4 na válvula direcional 5/3, que permite fazer descer os atuadores A2 e A4 que suportam os caixilhos de reforços de aba. Um vez na posição inferior o sensor S11 é atuado e ativa v5 que força os atuadores a subir. Quando em posição superior é atuado o sensor S10, repetindo o ciclo de funcionamento. Neste caso foi utilizada uma válvula direcional 5/3 para em caso de emergências imobilizar os atuadores, impedindo a saída de ar comprimido quando a válvula está em posição central. Isto permite evitar a queda dos atuadores em caso de acionamento da paragem de emergência e prevenir acidentes de trabalho.

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O sensor S12 é responsável por indicar quando os nível de cola no reservatório do injetor estão baixos e o sensor S13 é responsável por indicar quando estão em falta reforços de aba nos caixilhos de reforços. Em ambos os casos é interrompido o funcionamento no módulo 1 impedindo a passagem de folhas até que o operador faça o reabastecimento de cola ou reforços, premindo o botão de funcionamento manual. Na tabela 8 estão listados os principais componentes deste módulo.

Tabela 8 - Componentes necessários à automatização do módulo 2

S8 Responsável por ativar o injetor de cola quando é detetada a presença de uma folha.

S9 Responsável pelo avanço dos atuadores A2 e A3 na presença de uma folha.

S10 Sensor de fim de curso que deteta atuadores A2 e A3 em posição recuada.

S11 Sensor de fim de curso que deteta atuadores A2 e A3 em posição avançada.

S12 Alerta para a falta de cola no reservatório do injetor

S13 Alerta para a falta de reforços nas caixas de reforços

k3 Contacto que ativa o motor M2. É um motor de funcionamento contínuo ligado a um veio com rodas que puxa a folha para o tapete.

k4 Contacto que ativa o motor M3. Este é responsável pelo movimentação do tapete transportador e funciona de forma contínua.

v3 É acionado pelo sensor S8 e ativa a injeção de cola.

v4 Válvula direcional 5/3 que faz avançar os atuadores A2 e A3. É ativada pelo sensor S9.

v5 Válvula direcional 5/3 que faz recuar os atuadores A2 e A3. É ativada pelo sensor S11 e desativada pelo sensor S10.

Para controlo dos atuadores A2 e A3 foi utilizada uma válvula direcional 5/3 por uma questão de segurança em caso de falha do fluxo de ar comprimido ou pela ativação do modo de emergência. Desta forma há uma retenção do ar presente nos atuadores, pois a válvula só é estável na posição central onde não há fluxo de ar.

Módulo 3 – Alteração do sentido de transporte da folha

Todos o motores de acionamentos das rodas montadas nas estruturas suportadas pelos atuadores são representadas pelo motor M4, no caso das rodas que “puxam” a folha em direção à base metálica, e pelo motor M5 no caso das rodas que “empurram” o saco para fora da base metálica em direção ao tapete transportador do módulo 4.

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Figura 19 – Alteração do sentido de transporte da folha (Diagrama Automation Studio)

A folha é transportada do tapete transportador do módulo 2 à plataforma do módulo 3, onde ocorre a alteração do sentido de transporte da folha. A folha é detetada pelo sensor S14 que ativa v6 da válvula direcional 5/3. Isto faz descer o atuador A4 e liga os motores elétricos (M4) das rodas acopladas por meio de uma estrutura ao atuador A4. Com o avançar da folha, esta é detetada pelo sensor S15 que ativa v7 e desativa M4 fazendo subir o atuador A4 e desligando os motores elétricos das rodas acopladas. Ao mesmo tempo ativa v8, fazendo descer os atuadores A5 e A6 e ligando os motores elétricos (M5) da rodas acopladas à estrutura em cada atuador. Estas rodas puxam a folha alterando o seu sentido de movimento e com o seu avanço é detetada pelo sensor S16 que ativa v9 e faz recuar os atuadores A5 e A6 desligando os motores M5. O ciclo repete-se com a ativação do sensor S14.

Os sensores S17, S18, S19 S20, S21 e S22 são responsáveis por controlar o posicionamento dos atuadores pneumáticos. No controlo dos atuadores são utilizados válvulas direcionais 5/3 para prevenir acidentes em caso de paragem de emergência ou corte de eletricidade, mantendo as válvulas na sua posição intermédia e impedindo a saída de ar comprimido dos atuadores que mantêm a sua posição inalterada. Na tabela 9 estão listados os principais componentes da figura 19.

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S14 Quando o sensor deteta a presença da folha ativa o motor M4 e aciona a válvula v6, o que promove o avanço dos atuador A4.

S15 Quando deteta a presença da folha aciona as válvulas v7 e v8, desligando o motor M4 e fazendo recuar o atuador A4. Ao mesmo tempo liga o motor M5 e faz avançar os atuador A5 e A6.

S16 Quando deteta a presença da folha desliga o motor M5 e faz recuar os atuadores A5 e A6.

S17 Sensor de fim de curso que deteta o atuador A4 em posição recuada.

S18 Sensor de fim de curso que deteta o atuador A4 em posição avançada.

k5 Contacto que liga o motor M4, com funcionamento intermitente.

k6 Contacto que liga o motor M5, com funcionamento intermitente.

v6 Válvula direcional 5/3 que faz avançar o atuador A4. É ativada pelo sensor S15.

v7 Válvula direcional 5/3 que faz recuar o atuador A4. É ativada pelo sensor S16.

v8 Válvula direcional 5/3 que faz avançar o atuador A5 e A6. É ativada pelo sensor S16.

v9 Válvula direcional 5/3 que faz avançar o atuador A4. É ativada pelo sensor S17.

Módulo 4 – Formação do saco de fundo aberto

O módulo 4, representado na figura 20, possui apenas dois motores de funcionamento contínuo e um sensor indicador do nível de cola no reservatório.

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Neste módulo a folha é apenas manipulada por guias, sendo formado o tubo do saco. Existem dois motores de funcionamento contínuo M6 e M7 responsáveis por movimentar o rolo de cola e o tapete transportador respetivamente. O motor M7 é responsável ainda por movimentar o tapete superior, ligado por uma correia dentada. Existe ainda um sensor S23 que é responsável por detetar quando o nível de cola no reservatório é insuficiente. Na tabela 10 estão identificados os componentes do diagrama acima.

Tabela 10 – Componentes necessários à automatização do módulo 4

Designação

_Sensores

S23 Sensor responsável por indicar o nível mínimo de cola no recipiente. Quando atingido, o sensor deve ativar uma luz indicadora de reabastecimento do recipiente.

k7 Contacto que liga o motor M7. Este motor tem funcionamento contínuo durante a produção.

k8 Contacto que liga o motor M8. Este motor tem funcionamento contínuo durante a produção.

Módulo 5.1 – Colocação do reforço de fundo

A figura 21 que representa o módulo 5.1 é responsável pela abertura do fundo do saco e colocação do reforço de fundo. Os atuadores de dupla haste A10 e A11, representam atuadores pneumáticos rotativos.

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O tapete é movido pelo motor elétrico M8 de funcionamento intermitente. Após a passagem do saco de papel pelo sensor S24 é ativado o motor M8 transportando o saco até este ser detetado pelo sensor S25 que desliga o motor M8. Nesse momento é acionado v8 (válvula 3/2) que faz descer o atuador A7 que tem acoplada uma régua para imobilizar o saco. Nesse momento avança o atuador A8 (ativando v11) ao qual está acoplado uma base assente em rolamento lineares. Sobre a base está montado um atuador rotativo no qual está montado uma barra de metálica com uma garra pneumática montada. O atuador A8 avança, é ativado v13 que faz que haja aperta da garra pneumática e seguidamente é ativado v14 que faz com que a barra acoplada ao atuador rotativo (A10) rode 180o_{. Este movimento permite a abertura do fundo do}

saco para colocar o reforço de fundo.

Ao mesmo tempo que ocorrem estas ações é ativado v16 que faz rodar o atuador rotativo A11, que está acoplado a um veio. Nesse veio está montado uma base com um atuador linear (A12), sendo que na haste deste está montado um gerador de vácuo e uma ventosa. Rodando o atuador A11 faz com que o atuador A12 esteja voltado para cima, alinha com a caixa de reforços de fundo. Nesse momento o atuador A12 é colocado em posição avançada e é ativado o vácuo na ventosa permitindo tirar um reforço da caixa de reforços. O atuador A12 recua e o atuador A11 roda para a posição inferior deixando o atuador A12 alinhado com o saco de fundo aberto. Nesse momento o atuador A12 fica em posição avançada, é desligado o vácuo deixando o reforço dentro do fundo do saco. O atuador A12 recua, a garra pneumática larga o saco, o atuador A8 recua, o atuador rotativo A10 roda para a posição inicial e é ativado o motor M8 transportando a folha para o tapete seguinte. Todos componentes da Figura 21 estão identificados na tabela 11.

S24 Quando o sensor deteta a presença da folha ativa o motor M9, responsável pela movimentação do tapete.

S25 Quando deteta a presença da folha desativa o motor M9, fazendo parar o tapete.

S30 Sensor que deteta quando a garra pneumática é atuada.

S31 Sensor que identifica o atuador pneumático rotativo (que suporta a garra pneumática) em posição inicial.

S32 Sensor que identifica quando o atuador pneumático rotativo (que suporta a garra pneumática) rodou 180o_.

S33 Sensor que identifica o atuador pneumático rotativo (que movimenta o reforço de fundo) em posição voltada par o caixilho de reforços

S34 Sensor que identifica quando o atuador pneumático rotativo (que movimenta o reforço de fundo) rodou 180o_{para a posição de colocação do reforço no saco.}

S37 Sensor que identifica quando o caixilho de reforços de fundo está vazio.

S38 Sensor que deteta quando é estabelecido vácuo na ventosa que transporta os reforços de fundo.

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k9 Contacto que liga o motor M8, responsável pelo movimento do tapete de forma intermitente.

v10 Válvula direcional 3/2 mono-estável que quando atuada faz descer o atuador A7 que tem uma régua acoplada, responsável imobilizar o saco de fundo aberto.

v11 Válvula direcional 3/2 bi-estável que ao atuar v11 permite que o atuador A8 (movimenta um atuador rotativo e uma garra pneumática) fique em posição avançada.

v12 Válvula direcional 3/2 bi-estável que ao atuar v12 faz o atuador A8 recuar.

v13 Válvula direcional 3/2 mono-estável responsável por atuar a garra pneumática (A9).

v14 Válvula direcional 5/3 que faz o atuador rotativo A10 rodar 180o_.

v15 Válvula direcional 5/3 que faz o atuador rotativo A10 voltar à posição inicial.

v16 Válvula direcional 5/3 que faz o atuador rotativo A11 rodar 180o_.

v17 Válvula direcional 5/3 que faz o atuador rotativo A11 voltar à posição inicial.

v18 Válvula direcional 5/3 que faz o atuador rotativo A12 avançar.

v19 Válvula direcional 5/3 que faz o atuador rotativo A12 recuar.

v20 Válvula direcional 3/2 que quando atuada permite a passagem do ar comprimido n0 gerador de vácuo para estabelecer vácuo na ventosa.

Módulo 5.2 – Dobragem das abas de fundo laterais

Neste módulo, ilustrado na figura 22, é realizada a dobra das abas latereis do fundo do saco por meio de réguas e guias ajustadas para o tamanho de saco em questão.

Figura 22 – Dobra das abas laterais do fundo do saco (Diagrama Automation Studio)

O tapete transportador deste módulo tem incorporado um sistema de vácuo responsável por manter o saco em contacto com o tapete. O vácuo é ativado por v21 (válvula direcional 3/2) e

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assim como o motor M9 que é responsável por movimentar o tapete transportador, têm ambos funcionamento contínuo durante o normal funcionamento do equipamento.

S39 Deteta quando é estabelecido vácuo no tapete transportador.

k10 Contacto que liga o motor M9, responsável pelo movimento do tapete transportador. Durante a produção normal de saco o motor tem um funcionamento contínuo.

v21 Válvula direcional 3/2 mono-estável que quando ativada permite a passagem de ar comprimido para o gerador de vácuo.

Módulo 6 – Alteração do sentido de transporte do saco

Na figura 23 esta representado o módulo 6, com um atuador pneumático e um sensor que deteta a presença de um saco de papel.

Figura 23 – Alteração do sentido de transporte do saco (Diagrama Automation Studio)

O saco proveniente do tapete transportador do módulo 5.2 é transportado pelo tapete e guias até à plataforma, sendo que no fim do percurso há um batente que ajuda a posicionar o saco. Junto ao batente há um sensor de posicionamento que detetando o saco ativa o atuador A13. A haste do atuador tem um batente acoplado que ao avançar empurra o saco para o último tapete transportador. Quando o atuador estiver em posição avançada é detetado pelo sensor S41,

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S42 Sensor que deteta a folha aquando da sua passagem, fazendo avançar o atuador A13.

v22 Contacto que liga o motor M9, responsável pelo movimento do tapete transportador. Durante a produção normal de saco o motor tem um funcionamento contínuo.

Módulo 7 – Dobragem das abas de fundo do saco

Por fim a figura 24 representa a última etapa pela qual o saco passa, sendo colocada cola nas abas de fundo para efetuar a dobragem destas e fechar o fundo do saco. Os 4 atuadores de simples ação na figura 24 representam injetores de cola, sendo que as válvulas direcionais servem apenas para controlo dos “injetores” na simulação em Automation Studio.

Figura 24 – Dobragem das abas de fundo do saco (Diagrama Automation Studio)

Quando o saco passa pelo sensor S43 é ativada a injeção de cola por parte do injetores. Estes despiram em momentos específicos e com a duração programada, que pode variar com a velocidade do tapete transportador ou o tipo de saco. O motor M10 responsável por movimentar o tapete transportador deste módulo tem funcionamento contínuo durante a normal operação do equipamento. O sensor S44 é ativado caso o nível de cola nos reservatórios dos injetores seja insuficiente.

De salientar que na figura 24 os injetores estão representados por quatro atuadores pneumáticos por questões de limitações do programa utilizado. Na tabela 14 estão listados os componentes identificados na figura acima.

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Designação

_Sensores

S43 Deteta a passagem da folha e ativa os injetores de cola. S44 Alerta para falta de cola nos reservatórios dos injetores.

Designação

_{Atuadores e válvulas direcionais}

k11 Contacto que ativa o motor M10. Este motor, responsável por movimentar o tapete transportador, tem funcionamento contínuo.

v23 É acionado pelo sensor S43 e ativa o respetivo injetor de cola. v24 É acionado pelo sensor S43 e ativa o respetivo injetor de cola. v25 É acionado pelo sensor S43 e ativa o respetivo injetor de cola. v26 É acionado pelo sensor S43 e ativa o respetivo injetor de cola.

5.3. SISTEMA DE COMANDO DO EQUIPAMENTO

Tendo em consideração que o equipamento deve funcionar de forma totalmente automática, foram apenas considerados comandos principais de acionamento do equipamento. Na Figura 25 está representado o painel de comando criado no programa Automation Studio 5.0. Foram considerados os botões START, STOP, PAUSA_RESTART, EM (Paragem de emergência), botão de subida e outro de descida da base metálica onde é colocada a pilha de folhas no módulo 1.

Figura 25 – Painel de comando do equipamento

O botão PAUSA_RESTART, é particularmente útil para reabastecer o equipamento com mais folhas no módulo 1. Após acionamento do botão, o sistema de ventosas deixa de transportar mais folhas para o módulo sendo que os restantes módulos continuam operacionais, o seja, as folhas que já estavam a circular no equipamento continuam a ser transformadas em sacos de papel. Os motores de funcionamento contínuo continuam a trabalhar, com os tapetes transportador a rolar.

É possível nessa altura utilizar os botões de subida e descida para colocar a base na altura desejada e colocar mais folha no módulo 1. Posteriormente é premido novamente o botão PAUSA_RESTART, e o equipamento continua o seu modo de produção normal.

O botão START inicia o equipamento e o modo de produção normal, sendo que o botão STOP termina a produção de sacos de forma ordenda, ou seja, só termina a produção depois do último saco sair do equipamento. O botão EM (Paragem de emergência) interrompe imediatamente a produção, e suspende qualquer tipo de movimento de atuadores, motores ou injetores.

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5.4. IMPELEMENTAÇÃO DO GEMMA

O GEMMA permite definir modos ou estados de funcionamento e paragem de sistemas automatizados de produção, usando critérios definidos e independentes do tipo de sistema estudado e da tecnologia de comando.

É constituído por uma grelha, analisada progressivamente na concepção do sistema que permite a descrição da parte operativa e da parte de comando.

Os principais modos de uma grelha GEMMA estão representados na figura 26. Nesta grelha existem 3 grandes agrupamentos de modos de marcha e paragem:

 Agrupamento F (Procedimentos de funcionamento) – todos os modos de funcionamento, pelos quais deve passar a parte operativa para obter o resultado pretendido do processo. Pertencem a este agrupamento os estados preparatórios de produção, os testes e controlos prévios ou posteriores e os estados que pertencem ao próprio processo de produção.

 Agrupamento A (Procedimentos de paragem da parte operativa) – todos os modos que conduzem ou traduzem uma paragem do sistema.

 Agrupamento D ( Procedimento de falha da parte operativa) – todos os estados que representam uma do sistema por motivos de falha da parte operativa.

Figura 26 – Grelha geral do GEMMA [39] [40]

Na implementação do GEMMA vão ser apenas considerados os modos essenciais da figura acima para o correto funcionamento do equipamento de produção de sacos de papel. Cada modo é composto por um GRAFCET, que não é mais que um gráfico orientado que comporta dois tipos

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de componentes, as etapas e as transições. Cada arco de GRAFCET liga uma etapa a uma transição ou uma transição a uma etapa, conforme exemplificado na figura 27.

Figura 27 – Exemplo de um GRAFCET [39]

5.4.1. GRAFCET DE NÍVEL SUPERIOR

Depois de listados os principais componentes nos diagramas do capítulo 5.2, tona-se necessário numa etapa posterior determinar quais os modos que vão ser implementados no sistema

GEMMA assim os a sequência e interligações entre estes. Os modos A1 (paragem no modo

inicial), F1 (produção normal) e D1 (paragem de emergência) são obrigatórios na implementação do sistema, sendo na figura 28 é apresentado o GRAFCET de nível superior elaborado no programa Automation Studio 5.0.

Figura 28 – GRAFCET de nível superior (Automation Studio 5.0)

Além dos modos obrigatórios foram considerados os modos F2 (marcha de preparação), A2 (paragem ordenada no fim de ciclo) e A6 (colocação da parte operativa no estado inicial). O GRAFCET de nível superior inicia no modo A1 (representado na figura acima pela etapa 100). Esta etapa é uma etapa inicial que se distingue das restantes por ter um contorno duplo. Assim que for premido o botão “START” é preenchida a condição de transição da etapa 100 para a