Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Sistema Flexível da Manufatura SENAI - SP, 2002 Trabalho elaborado pela Escola SENAI Roberto Simonsen do Departamento Regional de São Paulo. Coordenação Geral Dionisio Pretel Coordenação Laur Scalzaretto Alcindo Daniel Favero Editoração Écio Gomes Lemos da Silva Silvio Audi Escola SENAI Roberto Simonsen Rua Monsenhor Andrade, 298 – Brás CEP 03008-000 - São Paulo, SP Tel. 011 3322-5000 Fax. 011 3322-5029 E-mail: senaibras@sp.senai.br Home page: http://www.sp.senai.br Sistemas flexíveis da manufatura SENAI Sumário História da manufatura 07 Conceitos da automação da manufatura 09 Células flexíveis de Manufatura 17 Sistemas flexíveis de Manufatura 19 Dimensionamento de um FMS 27 Automação de fábrica 29 Mecatrônica 31 Evolução da manufatura 33 Cronograma evolutivo 35 Outras siglas da automação 37 Exemplo de um FMS 39 Bibliografia 41 Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 7 História da manufatura A manufatura possivelmente teve sua origem com os artesãos, homens e mulheres habilidosos que fabricavam, em pequena escala, produtos que atendiam às necessidades dos moradores de sua vizinhança. Em geral, esses produtos eram utensílios, tecidos, ferramentas manuais e armas. Esses artesãos tinham como forma de subsistência a fabricação dedicada de alguns produtos e, pela troca e comercialização desses produtos, obtinham outros de que necessitavam, além de alimentos. Provavelmente, viajantes, tomando conhecimento dos produtos confeccionados em determinadas regiões, passaram a levá-los de um lugar para outro e, pelo sistema de trocas, tais viajantes enriqueceram, tornando-se grandes mercadores. Com o surgimento desses mercadores, os produtos dos artesãos passaram a atravessar fronteiras, trazendo fama para seus fabricantes e também para suas cidades, uma vez que delas partiam seus produtos para serem comercializados. O enriquecimento dos mercadores e o grande volume de mercadorias acumuladas, juntamente com os problemas de segurança nas viagens, levaram esses comerciantes a estabelecerem-se, criando instalações para o comércio de diversos produtos. Com a expansão do comércio e o crescimento das cidades, era necessária a fabricação em maior escala. Assim, os comerciantes criaram unidades de produção, passando a contratar empregados. Surgiam, dessa forma, as Fábricas... Vários e muito interessantes são os documentos desse surgimento das fábricas; conturbado e controvertido, esse período trouxe as primeiras manifestações dos artesãos, já subjugados pelo poder dos ricos comerciantes. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI8 A crescente demanda e o aumento da população principalmente nas grandes cidades, levaram inventores, engenheiros e cientistas a idealizarem e construírem mecanismos diversos que, associados entre si, eram capazes de acionar ferramentas. Surgiam, dessa maneira, as máquinas, cujo mecanismo , no entanto, era movido pela força humana e/ou animal. Mais tarde, a força humana passou a ser substituída pela força de máquinas. As máquinas a vapor, pioneiras, marcaram a Revolução Industrial e decisivamente o fim do trabalho artesanal; outras máquinas de transformação de energia surgiram, tais como atuadores hidráulicos e pneumáticos, motores elétricos e a combustão, etc. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 9 Conceitos da automação da manufatura Iniciaremos tratando de conceitos e fatores que surgiram no decorrer do desenvolvimento da manufatura e suas implicações no trabalho. Produção A palavra produção é empregada na área de manufatura relacionada à idéia de quantidade de produtos fabricados. O ferreiro, um dos precursores da industria metal-mecânica, ao transformar a matéria- prima utiliza-se de uma ferramenta aliada a sua força física e habilidade. Atualmente, este ferreiro jamais conseguiria atender à demanda, já que seus métodos de transformação são muito lentos, ou seja, de baixa produção. Aliás, com exceção dos artistas, não é exagero afirmar que não é possível a sobrevivência de setor da manufatura que se utilize exclusivamente de processos manuais. Assim, há muito que os meios de produção estão se afastando dos processos puramente manuais; hoje em dia, a fabricação dos diversos produtos que utilizamos no nosso cotidiano se processa com a utilização de uma ou mais máquinas. Na verdade, a cada dia a mão de obra vem se afastando da transformação direta da matéria-prima em produto. O ferreiro fabricava ferramentas e utensílios manualmente, valendo-se de ferramentas que exigiam força e habilidade de manuseio. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI10 Força humana x força das máquinas As máquinas transdutoras de energia, desde a máquina a vapor, motores elétricos, cilindros hidráulicos e pneumáticos etc. passaram a substituir a força humana. No entanto, a habilidade humana continuava indispensável para o controle dessas máquinas. Tais máquinas não necessitavam da força humana para o acionamento de seus movimentos, mas a habilidade humana para o controle da seqüência, da direção e duração dos acionamentos continuava sendo imprescindível. Por exemplo, um torno convencional exige um profissional habilidoso e experiente para operá-lo. A força humana foi substituída pela força das máquinas, cabendo ao trabalhador controlar adequadamente essas máquinas. Na verdade, esse foi apenas o primeiro passo para o afastamento do homem do que aqui chamamos de transformação direta da matéria-prima em produto... A Divisão de Trabalho O crescimento da população das cidades acarretou um aumento da demanda dos mais diversos produtos. Consequentemente, as fábricas aumentaram sua produção para atender às necessidades de mercado. O número de operadores habilidosos e experientes para preparar e operar satisfatoriamente as máquinas, ou seja, homens e mulheres com formação e experiência, não era suficiente para atender às necessidades das empresas; surgiram diversas instituições destinadas à preparação de profissionais, mas, ainda assim, a demanda crescente clamava por uma maior produção. A divisão do trabalho em tarefas elementares, subdividindo-se um trabalho complexo em várias etapas mais simples (modelo de Taylor), em muito aumentou a capacidade produtiva, uma vez que se tornou mais fácil treinar e capacitar os recursos humanos. Para o desempenho de uma tarefa específica, o tempo de capacitação exigido é menor e o operário não precisa de muitos pré-requisitos. Assim sendo, a produção pôde ser aumentada. Além disso os processistas, técnicos responsáveis pela elaboração dessa subdivisão em operações elementares, procuravam simplificar as partes que constituíam o produto, aumentando ainda mais a produção. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 11 Habilidade humana x controladores Apesar da divisão de trabalho ter contribuído para o aumento de produção, ainda assim, para se operarem determinadas máquinas, era necessário experiência e habilidade do operador. Tais profissionais representavam uma mão-de-obra mais cara e muito disputada pelas diversa empresa. Assim sendo, a necessidade de máquinas que realizassem uma seqüência preestabelecida de acionamentos, dispensando a habilidade humana, tornou-se imperativa uma vez que não havia nos centros industriais profissionais para atender à demanda sempre crescente de produção. Inventores, engenheiros e cientistas passaram a idealizar e desenvolver projetos de máquinas controladas. Entende-se por máquina controlada aquela capaz de realizar uma seqüência de acionamentos, tais como paradas e retomadas de motores, mudança de direção e sentido dos movimentos, sem a intervenção humana. O surgimentode "controladores" mecânicos através de cames e outros mecanismos permitiu às máquinas realizarem uma série contínua de acionamentos, possibilitando operações seqüenciadas sem a intervenção humana. Assim, apareceram teares, máquinas de papel e impressão e, na área de usinagem, o torno automático, bastante usado ainda nos dias atuais. Com os avanços tecnológicos, os controladores eletromecânicos tiveram sua vez, e inúmeras máquinas com tal tipo de controle foram desenvolvidas. Ainda encontramos em muitas casas máquinas de lavar roupas controladas eletromecanicamente; nessas máquinas, o controlador é constituído por um disco perfurado que, girando a determinada rotação, aciona e desaciona motores, bombas d´água e eletroválvulas em uma seqüência adequada às funções de lavagem, enxágüe e centrifugação das roupa. A maioria desses controladores eletromecânicos caíram em desuso devido a vários fatores, tais como desgaste das partes mecânicas e principalmente a baixa flexibilidade de controle. Trataremos desse conceito de flexibilidade mais à frente, pois, embora atualmente em desuso, constitui-se em interessante objeto de estudo por sua engenhosidade na multiplicidade de acionamentos. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI12 Os controladores através de painéis de relês, que estabeleciam uma seqüência de acionamentos sucessivos convenientemente temporizados, também foram e ainda são empregados. A eletrônica nos controladores Com o avanço da eletrônica, surgiram controladores eletroeletrônicos, controladores lógicos, controladores lógicos programáveis, os comandos numéricos, os comandos numéricos computadorizados, os computadores ... enfim, o homem passou a não ser mais necessário para o controle das máquinas e as habilidades manuais já não são mais imprescindíveis. De fato, sob um ponto de vista restrito de operação, uma máquina moderna exige pouca ou quase nenhuma habilidade do operador, são inúmeras as empresas onde a operação é ensinada em poucas horas. Embora o homem esteja se afastando da transformação direta da matéria- prima em produto, novas profissões surgem. Um novo profissional é necessário para programar o controlador da máquina, preparar a máquina, testar, corrigir parâmetros, efetuar ajustes e iniciar a produção. Para o trabalho com máquinas controladas, programadores e preparadores passam a ser uma nova exigência. Mantenedores devidamente treinados e preparados também são necessários para o bom trabalho dessas máquinas controladas. Máquinas com controladores As primeiras máquinas de controle numérico surgiram com o propósito de solucionar problemas de geração de geometrias em tempos menores, sem a necessidade de profissionais experientes e habilidosos. De fato, os fabricantes de máquinas CNC, a princípio, dispunham-se, ao instalar uma máquina, a fornecer cursos para que qualquer pessoa em pouco tempo estivesse apta a operá-la sem que fossem necessários anos de experiência. Assim, qualquer jovem poderia facilmente aprender a operar uma máquina CNC, lembrando, é claro, que, para programar e preparar a máquina controlada, exige-se um profissional com maior tempo de estudo e alguns pré- requisitos. No entanto, um único programador e preparador pode ser responsável por um grande número de máquinas. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 13 Vejamos : O homem está se afastando da transformação direta da matéria- prima em produto. Na produção através de máquinas controladas, o operador carrega a máquina, ou seja, fixa o material em bruto num dispositivo apropriado, em seguida aciona a máquina, aguarda (acompanha) enquanto as seqüências de operações são realizadas automaticamente e, ao final, retira o produto, fixa outro material, repetindo- se o ciclo. Produtividade e repetibilidade As máquinas controladas são incansáveis e podem repetir as mesmas tarefas inúmeras vezes, sem que haja alterações dos produtos fabricados com o tempo, isto é, claro, considerando-se os desgastes previsíveis de ferramentas. Já quando se operam máquinas convencionais em tarefas repetitivas, não se consegue, por maior que seja o esforço, manter durante todo o turno de trabalho a mesma exatidão em todas as peças, ainda mais quando as exigências de produção aumentam e o ritmo de trabalho precisa ser acelerado. As máquinas, ao contrário, não sentem fadiga e podem trabalhar em altas velocidades por longos períodos, desde que se respeitem as manutenções necessárias. Assim, comparando o trabalho de máquinas convencionais com o trabalho de máquinas controladas , concluímos que as máquinas controladas apresentam maior repetibilidade do que as máquinas convencionais. Quanto à produtividade, que é a relação entre a quantidade de peças produzidas ( produção) e o custo, as máquinas controladas apresentam maior produção com menores custos, uma vez que o refugo ( peças não conformes ) e o retrabalho são menores, além de uma mão-de-obra mais barata. Portanto, a produtividade das máquinas controladas é maior do que a produtividade das máquinas convencionais. Flexibilidade As fábricas automatizaram-se, ou seja, máquinas controladas passaram a operar substituindo máquinas convencionais, gerando grande aumento nas escalas de produção. Os custos de produção se reduziram e os bens de consumo tornaram-se mais acessíveis a um maior número de pessoas. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI14 A qualidade de vida da população das grandes cidades melhorou, principalmente nos países mais ricos e industrializados, e os cidadãos passaram a usufruir de inúmeros produtos que aumentam o conforto e a comodidade. No entanto, os produtos industrializados ofereciam pouca ou nenhuma opção para o comprador. Os meios de produção das fábricas, principalmente as linhas de produção, não permitiam variações no produto. A indústria automobilísticas, por exemplo, nos anos 60, oferecia uma cor ou duas a cada ano; assim, a produção, apesar de elevada, era extremamente rígida. Nos dias atuais, as linhas de pintura de automóveis operam com robôs, sendo possível a troca de cores a cada carro, possibilitando às montadoras oferecer várias cores diferentes. Dizemos que a linha de pintura tornou-se mais flexível, ou seja, passou a oferecer uma variação maior para seus produtos. Assim, a flexibilidade de um sistema de produção está relacionada à capacidade de mudança que o sistema apresenta para a de fabricação de produtos diferenciados. Em relação ao exemplo dado para a pintura de veículos, os fabricantes utilizavam linhas de pintura por imersão da carroçaria em tanques de tinta, quando se desejava mudar a cor do carro em produção - um longo tempo de preparação era exigido, uma vez que os tempos para limpeza da tinta em uso e a preparação para a nova cor eram elevados; justificava-se, portanto, a produção de um grande número de carros da mesma cor. Já uma linha moderna de pintura robotizada trabalha com um sistema de troca rápida do punho do robô, possibilitando uma mudança também rápida da cor do veículo em produção, chegando a ser possível a mudança de cor e modelo a cada carro. Assim, podemos dizer que a pintura tornou-se mais flexível, sem perder a elevada capacidade produtiva e a qualidade. Cabe ressaltar que o desafio moderno da automação é o de produzir em larga escala e com flexibilidade. A princípio, a alta produção parece ser antagônica à flexibilidade; no entanto, sistemas modernos de produção tentam conciliar produção em larga escala com flexibilidade do produto. Podemos citar inúmeros exemplos de sistemas de produção que vêm se tornando mais flexíveis. Uma máquina automatizada através de um CL (Controlador Lógico) Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 15 apresenta elevados tempos de preparação ( Set-Up), o que inviabiliza ou mesmo impossibilita a mudança na fabricação de um determinado produto A para um outro produto B; já uma máquina automatizadapor um moderno CLP ( Controlador Lógico Programável ) mostra-se mais flexível, pois, sendo a programação mais simples (amigável) e rápida, os tempos de preparação são reduzidos e a mudança de produção do produto A para o produto B passa a ser viável. É claro que estamos abordando os exemplos acima de uma forma simplificada, apenas para evidenciar a tendência moderna rumo a sistemas de produção mais flexíveis. Uma análise mais profunda da família de produtos é necessária para a implantação de sistemas mais flexíveis, justificando-se investimentos com resultados. A busca pela flexibilidade na produção está relacionada a aspectos intrínsecos da natureza humana. Não poderemos abordar com profundidade tais aspectos, pois fogem aos objetivos deste texto; porém, de uma forma simples e objetiva, podemos afirmar que: Somos seres distintos, únicos, e, assim sendo, queremos produtos diferenciados As empresas que não estiverem atentas a esse fato não sobreviverão no mercado do futuro. Diversas empresas que no passado eram sólidas e contavam com grande mercado consumidor deixaram de existir, não por razões de qualidade ou custo de seus produtos, mas simplesmente porque não estavam atentas ao fato acima abordado e não souberam inovar diferenciando seus produtos. As indústrias de eletrodomésticos, por exemplo, que não se renovam continuamente para lançar modelos diferenciados estão fadadas ao fracasso. O mesmo é valido para montadoras, indústrias de calçados, vestuário, enfim, para todos os setores em que os produtos envolvem outros valores agregados além do simples desempenho de suas funções. Queremos enfatizar, dessa maneira, que a busca pela automação das plantas produtivas e por maior flexibilidade dos meios de produção é irreversível. O Sistema Flexível da Manufatura está inserido nessa automação e concorre definitivamente com objetivos da produção com flexibilidade. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 17 Células flexíveis de manufatura Conforme já vimos, os processos produtivos com máquinas convencionais necessitam da habilidade do operador, enquanto que os processos produtivos com máquinas controladas não necessitam da intervenção do homem durante o processo de fabricação. No entanto, em ambos os processos a carga da matéria- prima e a descarga do produto são feitas pelo operador. As células flexíveis de manufatura são sistemas produtivos compostos por uma máquina controlada e um sub-sistema de alimentação, ou seja, um sub-sistema que carrega (load) a máquina com a matéria-prima ou material em bruto (blank) e descarrega (unload) o produto ou peça trabalhada. Geralmente, esse sub-sistema de alimentação é composto pelo equipamento que carrega e descarrega a máquina mais um equipamento onde um certo número de material bruto é disposto, para posterior processamento. Os equipamentos de alimentação podem ser robôs, manipuladores, trocadores de mesa, ou outros equipamentos de maior ou menor complexidade, que trabalham integrados à máquina controlada. A cada fim de processo, a máquina emite um sinal de controle para o sub-sistema dar início ao descarregamento e novo carregamento. Dizemos usualmente que o sub- sistema de alimentação é ¨escravo¨ da máquina controlada. Quanto ao equipamento em que dispomos os blanks, esse pode ser escravo da máquina ou do sub-sistema de alimentação. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI18 A figura abaixo ilustra uma célula flexível de manufatura. Podemos notar que a FMC apresenta uma certa autonomia de operação, ou seja, trabalho sem assistência do operador. Essa autonomia depende do número de peças e do tempo de processo de cada peça. É possível a produção de uma ou mais peças, a máquina pode trocar de programa automaticamente de acordo com as dimensões do blank, ou com o número de peças programado. A célula apresentará uma maior ou menor flexibilidade dependendo do grau de flexibilidade dos seu componentes. Por exemplo, para uma FMC de usinagem com máquina CNC, quanto maior o número de ferramentas da máquina, maior será a flexibilidade, ou seja, a capacidade de usinar diferentes peças e, quanto maior a memória da máquina, maior número de programas de diferentes peças - o mesmo é valido para o sub-sistema de alimentação. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 19 Sistemas flexíveis de manufatura O Sistema Flexível de Manufatura - FMS (Flexible Manufaturing System) - como o próprio nome sugere, deve ter a capacidade de produzir diferentes produtos em diferentes quantidades, numa certa ordem estabelecida na programação de produção, sem a necessidade de preparação do equipamento (set-up), e sem a intervenção do homem dentro de um certo período de tempo. Se isto for possível, poderemos produzir lotes de peças em tempos compatíveis para atender à demanda de mercado. Teremos, assim, uma linha de produtos diversificada e passível de rápidas mudanças, ou, em outras palavras, “Flexível”. Os sistemas tradicionais de produção em massa possuem uma grande velocidade de produção, porém sem a possibilidade de modificação do produto, ou seja, do ponto de vista do produto, teremos um sistema de produção “rígido”. A definição de um FMS é controvertida; enquanto para alguns autores o sistema está restrito à planta produtiva, para outros, o sistema é mais abrangente, envolvendo sistemas CAD/CAM além de DNC . Da mesma forma, cada empresa fabricante define à sua maneira os Sistemas Flexíveis de Manufatura. De qualquer modo, existem alguns pontos comuns em todas as definições. Aqui consideraremos que o FMS esteja restrito à planta produtiva, incluindo apenas um DNC (Direct Numerical Control) para a transmissão de programas gerados em outras áreas da fábrica. “Um Sistema Flexível de Manufatura é basicamente um conjunto de máquinas controladas, integradas a sub-sistemas de alimentação, e o controlador de cada máquina possui portas de comunicação com um computador central. Esse computador controla ainda um sub-sistema de transporte e estações de cargas. O sistema apresenta também um armazém (Ware house) onde matéria-prima e peças são estocadas.” Sistemas flexíveis da manufatura SENAI20 Áreas de Aplicação A implantação de sistemas de produção mais flexíveis vem crescendo devido à necessidade de produtos diferenciados e em menores lotes. Várias empresas no Brasil têm investido em Máquinas CNC e em Células Flexíveis de Manufatura. Porém, não se têm verificado investimentos em Sistemas Flexíveis de Manufatura porque é preciso que se defina uma família de peças para justificar um investimento em FMS. Essa definição não é trivial e depende de vários fatores, como política de investimentos e expansão de mercado, entre outros. O gráfico da figura a seguir mostra as relações entre os sistema produtivos, a variedade de produtos e a quantidade a ser produzida. No eixo vertical, a variedade de peças, e, no horizontal, a quantidade de peças. Onde: F(D) -Ferramenta ( Dispositivo), M -Mecanismo, A -Atuador, C -Controlador e S - Sensores. Freqüentemente, se diz que para a execução de uma tarefa complexa, equilibrando facilidade de produção e ganho na produtividade, os sistemas flexíveis são os mais indicados. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 21 A instalação de qualquer sistema complexo deve ser analisada cuidadosamente e feita passo a passo. Isto permitirá uma avaliação segura dos resultados e o redirecionamento dos próximos passos quando necessário. O FMS pode apresentar risco técnico e financeiro. Normalmente, projetos deste porte, mesmo para empresas automobilísticas ou aeroespaciais, são norteados pela posição da empresa no mercado.. O tempo de preparação – Pallet No FMS, o manuseio de material, tanto de matéria-prima (blank) como de peças em processo e produto acabado, é feito utilizando-se mesas móveisou “ pallets”. Em máquinas convencionais ou mesmo em máquinas CNC isoladas, a peça a ser trabalhada é fixada à mesa da máquina e, durante essa fixação, a máquina permanece parada, ou seja, sem produzir. Chamamos esse tempo de tempo de preparação. Assim, para máquinas CNC isoladas, o tempo de produção de uma peça será a soma do tempo de processo e do tempo de preparação. Sendo: T prod. – tempo de produção. T proc. – tempo de processo. T prep. – tempo de preparação. T prod. = T proc. + T prep. Num FMS, as máquinas possuem uma mesa intercambiável, que chamaremos “PALLET”. Sendo assim, a matéria-prima, ou blank, é fixada ao pallet, em uma estação de carga e, a partir daí, é transportada para a máquina ou para o armazém. Com o sistema de pallets, o operador carrega e descarrega o pallet e não a máquina. Dessa maneira, o tempo de preparação desaparece, ou seja, o tempo de preparação está sobreposto ao tempo de usinagem, uma vez que, enquanto uma peça é processada, o operador fixa outro blank em outro pallet. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI22 Para o FMS, o tempo de processo será: Sendo: T prod. – tempo de produção. T proc. – tempo de processo. T prod. = T proc. Normalmente, nos dispositivos para pallets de centros de usinagem CNC, podemos fixar várias peças, conforme ilustra a figura abaixo. Dessa maneira, tem-se um aproveitamento maior do volume de usinagem da máquina. Componentes do FMS Máquinas controladas – As máquinas controladas são os elementos principais do FMS, pois os processos de transformação da matéria- prima em produto, ou seja , o conjunto de operações depende dessas máquinas. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 23 Na foto a seguir, temos uma Máquina CNC – Um Centro de Usinagem Horizontal Mazak. Máquina de Limpeza A máquina de limpeza ou lavagem de pallets elimina os resíduos do processo, como cavaco, carepas, limálias etc, a fim de que a peça possa seguir automaticamente para outro processo, ou ser posicionada em outro dispositivo ou pallet. Os resíduos interferem em medições e posicionamentos das peças. Nem todos os FMS têm máquina de limpeza de pallets, assim sendo, essa máquina não é imprescindível para o funcionamento do FMS. Sistemas de transporte Utilizam-se veículos controlados para o transporte de pallets, para distâncias entre máquinas e entre estas e estações de carga e/ou armazém. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI24 Os veículos mais usados são os AGV e os RGV. AGV - (Automatic Guide Vehicle) - Veículo autoguiado. Trata-se de um robô transportador, ou carro autoguiado, alimentado por baterias e impulsionado por motores elétricos. Os AGV dispõem de uma estrutura complexa de controle e podem transitar na planta produtiva por diversas trajetórias; geralmente seguem trilhas demarcadas no piso através de sensores ópticos, ou trilhas magnéticas através de sensores indutivos. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 25 RGV - (Rail Guide Vehicle) Trata-se de um robô cartesiano guiado por trilhos, ou transelevador controlado. Também impulsionado por motores elétricos, os RGV são alimentados pela rede. Dispõem de controladores mais simples do que dos AGV. Os RGV são mais velozes do que os AGV. Desenvolvem velocidades de 100m/min, enquanto os AGV atingem 60 m/min. Estoque -(Ware House) - Local onde os pallets são armazenados. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI26 No estoque temos pallets carregados com matéria-prima (blank), peças em processo, ou mesmo pallets vazios. Estação de Carga Local onde os pallets são carregados e descarregados com peças ou ferramentas. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 27 A operação de carga e descarga pode ser manual ou feita através de robôs. Os robôs são normalmente utilizados nas situações de troca de pallets para peças em processo, enquanto a operação manual é mais utilizada para carga de matéria-prima e descarga de produtos acabados. Computador Gerenciador Computador central do FMS, onde a programação de produção é feita. Local de assistência do FMS, em que se verificam em tempo real, na tela do computador, a operação do sistema e possíveis falhas, permitindo fazerem-se modificações da programação. Principais vantagens do FMS: a) Redução do lead-time, que é o tempo entre a ordem de produção e a entrega do produto. b) Redução do inventário morto, que são as peças em processos. c) Redução do manuseio de materiais e produtos. d) Redução de inspeções e verificações. e) Utilização de dispositivos de fixação convencionais. f) Autonomia de trabalho sem operador. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 29 Dimensionamento de um FMS O dimensionamento de um FMS é baseado, principalmente, nos tempos de processo e tempos de preparação dos pallets. Deve-se também considerar a autonomia desejada para o sistema. Durante a operação do FMS, acontecem paradas imprevisíveis e paradas para manutenção. Sendo assim, considera-se um rendimento de 80% (modelo japonês). Para um mês de trinta dias, temos: 30 x 24 = 720 horas considerando 80 % temos 576 horas/mês. Geralmente, adota-se um mês de 570 horas, para o FMS. Quantidade de máquinas necessárias Este item do dimensionamento de um FMS é baseado nos tempos de processo de cada peça e nas quantidades de peças a serem produzidas. Sendo: QM - Quantidade Mensal: Quantidade de peças a serem produzidas em um mês. Ttp - Tempo total de produção: Obtido pela soma dos tempos de processos de cada peça multiplicada pelas quantidades mensais dessas peças. Ttp = QM1 x (Tp1) + QM2 x ( Tp2 ) + ... QMn x (Tpn) Sistemas flexíveis da manufatura SENAI30 Assim, o número de máquinas necessárias para a produção será: Número de Máq. = Total de tempo de produção Total de horas/mês Número de estações de carga O número de estações de carga é obtido pela razão entre o tempo médio de preparação dos pallets e o tempo médio de processos das peças divido pelo número de máquinas. Número de Est. = Tempo médio de preparação Tempo médio de processos/ Número de máq. Número de Pallets O número de pallets é calculado considerando-se a autonomia desejada, ou seja, o período de produção sem operador. Isto se deve ao fato de que o operador pode preparar mais pallets do que a capacidade produtiva das máquinas. Os pallets preparados vão sendo armazenados na ware house. Outros dimensionamentos Para a operação automática do sistema, ou seja, sem operadores, deve-se considerar o número de ferramentas sobressalentes necessárias. A remoção de resíduos também deve ser prevista e convenientemente dimensionada para o trabalho automático. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 31 Automação de fábrica Nos dias de hoje, a Automação de Fábricas, ou Factory Automation (que trataremos por FA), tem passado por uma notável evolução. Nessa evolução, a inovação tecnológica proporcionada pela mecatrônica assumiu um papel de importância indiscutível. A FA promove a automação de toda uma fábrica, controlando e gerenciando o setor de produção, o setor de projetos, transporte, armazenamento de produtos e de matérias- primas. Podemos dizer que a FA é mais abrangente do que o FMS, e que em muitos casos uma FA pode ser constituída por vários FMS integrados por um computador que gerencia a produção, otimizando os recursos e produzindo sem excessos o necessário para atender aos pedidos dos clientes. Tal gerenciamento possibilita uma operação da planta produtiva com estoques mínimos e mesmo sem estoque de produtos acabados e matéria-prima. As FAs trabalham em sistema Just-in-time. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 33 Mecatrônica Desde as primeiras páginas deste texto, estamos tratando de máquinas controladas, e o objetivo da mecatrônicaé justamente embarcar controladores eletrônicos em máquinas. A Mecatrônica, junção da palavra mecânica com a palavra eletrônica, surgiu no Japão e hoje constitui um termo internacionalmente aceito; pode ser considerada como uma tecnologia global, envolvendo a combinação de mecanismos eletronicamente controlados. Quando se trata da escolha de mecanismos controlados eletronicamente, é necessário um conhecimento de mecânica, de eletrônica e de informática. De maneira geral, ao considerarmos a configuração básica de uma máquina controlada, verificamos que há necessidade de: 1. Um mecanismo que transmita o movimento, 2. Um atuador que acione o mecanismo, 3. Um controlador que comande o atuador e 4 Um sensor que forneça os sinais ao controlador. Fazer o projeto básico de uma máquina ou equipamento controlado consiste em selecionar, dentre um conjunto de: (1) mecanismos (2) atuadores (3) controladores (4) sensores Sistemas flexíveis da manufatura SENAI34 Aqueles que, montados conjuntamente, melhor atendam às exigências de velocidade, precisão de posicionamento, rigidez, resistência e outras características necessárias à máquina. Na verdade, pode ser considerado um quadro abrangente para as leis gerais de funcionamento da máquina: F – ferramenta D- dispositivo M- mecanismos A- atuadores C- controlador S- sensores A linha de cima ( Feed-back) indica que a malha de controle é fechada. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 35 Evolução da manufatura A partir das máquinas convencionais, observamos uma crescente evolução da automação industrial: MC > MA > NC > CNC > FMC > FMS > FA > CIM > IMS . . . MC - Máquinas Convencionais - Máquinas de baixa produção, totalmente dependente das habilidades do operador, tanto no que diz respeito à carga da matéria-prima e descarga do produto, quanto à operação da máquina. MA - Máquinas Automáticas - Máquinas que, por meio de sistemas mecânicos tipo cames, fins-de-curso, sistemas hidráulicos ou pneumáticos, conseguem repetir um determinado processo de manufatura com relativa precisão, porém rígido ou de difícil adaptação a novos produtos. CN - Controle Numérico - Sistemas que executam ciclos produtivos previamente programados de maneira seqüencial, etapa a etapa. A leitura da programação é feita através de fitas previamente perfuradas ou gravadas. Durante a execução dos ciclos, não é necessária a intervenção do homem. CNC - Controle Numérico Computadorizado - Sistemas que englobam as características dos CN, porém, incorporam os recursos de microprocessamento para controle de trajetória, gerenciamento e armazenamento de programas. Os tipos de operações e a complexibilidade dos ciclos dependem do grau de sofisticação do CNC. Esses equipamentos suportam sistemas mais complexos como: trocador automático de ferramenta, controle automático do contraponto, troca automática de castanhas em centros de torneamento, sistemas automáticos de referenciamento da peça e ferramenta, medição em processo e outros. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI36 FMC - Célula Flexível de Manufatura - Consiste em uma máquina CNC e um robô (ou manipulador) integrados no mesmo sistema. Desta maneira, as operações de carga e descarga do produto são feitas automaticamente. FMS - Sistema Flexível de Manufatura - Conjunto de FMC integrados que otimiza a automação. Neste caso, o transporte de uma célula a outra e das células de produção para o armazém é feito automaticamente. FA - Automação Industrial - Conjunto de FMSs integrados, resultando numa fábrica automática. CIM - Sistema de Gerenciamento Total - Além dos processos produtivos, os processos não-produtivos, como projeto, suprimentos, marketing etc, são integrados e gerenciados por uma rede emissora (network), controlada por computador. IMS - Inteligent Manutacturing System – Sistema que integra internacionalmente as empresas, enfocando condições de mercado e interesses diplomáticos. Um IMS tem o mundo como seu cliente, e não apenas a região limitada de um país. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 37 Cronograma evolutivo Os processos de produção em escala industrial têm início na Revolução Industrial do século XVIII, e desenvolveram-se exponencialmente, como podemos observar no cronograma abaixo: 1794 - utilização de Torno Mecânico; 1945 - desenvolvimento de método de medição para hélices de helicópteros; 1952 - O M.I.T. desenvolve o primeiro controle numérico (NC), porém sem a torre automática de ferramentas (ATC); 1958 - K&T desenvolve o Centro de Usinagem; 1960 - K&T desenvolve sistema para máquinas NC; 1967 - Molins patenteia o primeiro FMS; 1968 - A Japan Railway utiliza DNC (direct input numerical control machine); 1980 - A General Motors desenvolve o MAP; 1965 - falta de mão-de-obra - utilização de Linhas Transfer para suprir a falta de pessoal; 1975 - o mercado internacional demonstra a necessidade de pequenos lotes. Começa o final da produção em massa de um único lote; Sistemas flexíveis da manufatura SENAI38 1980 - O mercado internacional mostra tendência para a produção diversificada de produtos em pequenos lotes - flexibilidade na produção – FMS; 1982/86 - A moeda japonesa (yen) torna-se forte, o que dificulta as exportação de produtos japoneses. Para baixar os custos de produção, utiliza-se Automação Industrial (FA) e o sistema total de gerenciamento CIM, que controla todo o conjunto produtivo através de uma rede de emissão de dados (Network ). Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 39 Outras siglas da automação CAE - Computer Aided Engineering Computador Auxiliando Engenharia. Envolve disciplinas de apoio ao projeto, permitindo verificar itens projetados quanto a suas características de resistência, deformação, condutibilidade térmica, entre outras. CAD - Computer Aided Design Computador Auxiliando o Projeto. Envolve o conceito, a forma, a textura, as cores. Geralmente, os itens projetados são modelados em 3 dimensões. Algumas vezes, aparece a sigla CADD, sendo o segundo D indicativo de Drafting, ou representação bidimensional. CAM - Computer Aided Manufacturing Computador Auxiliando a Manufatura. Conceito extremamente amplo. Vale para qualquer aplicação de computadores que auxiliem funções de manufatura. Por exemplo: controle de máquinas CNC, controle de processos, supervisão de sistemas de transportes, geração de caminhos de ferramentas para uma geometria gerada em CAD. CAPP - Computer Aided Process Planning Computador Auxiliando Planejamento e Processo. Sistemas que facilitam a definição de processos para novos itens e o planejamento da sua produção. CAT - Computer Aided Testing Computador Auxiliando Testes. O computador monitora os testes (ensaios de propriedades físicas, medições) e coleta dados para serem analisados. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI40 CEP - Controle Estatístico de Processos Metodologia de monitoramento de processos, baseada em técnicas estatísticas. Permite o acompanhamento da variabilidade do processo, permitindo ao usuário tomar medidas corretivas e preventivas para reduzir as variações de produtos. CLP - Controlador Lógico Programável Os controladores lógicos programáveis fazem o controle seqüencial de atuadores. Normalmente não têm função de cálculo. DNC - Direct Numerical Control Controle Numérico Direto. Este conceito está associado não só a transferências de arquivos NC entre computadores e máquinas CNC, mas também ao controle de parâmetros das máquinas e dos processos. JIT - Just In Time Estratégia de produção adotada inicialmente pela Toyota, visando à redução (atenção - não se trata de eliminar totalmente) dos inventários (estoques intermediários). O controle da necessidade de insumos/itens para a produção é feito por meio de cartões (KANBAN). KAIZEN Palavrajaponesa associada à idéia de melhorias contínuas. Tem caráter procedural, isto é, uma vez obtida uma melhoria, esta é padronizada por meio de procedimentos. MRP - Material Resource planning Planejamento dos Recursos Materiais. Sistemas que monitoram a situação dos recursos necessários à produção. Com base nas informações coletadas, “planeja” a melhor programação de produção. Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 41 Exemplo de um FMS – Sistema Flexível de Manufatura Componentes do Sistema Centro de usinagem Mazatech H 500 / 50 Torno a CNC Slant Turn 28N ATC MILL CENTER Robô de carga e descarga ( manipulador ) de peças do torno ( Roboflex ) Prateleira para estoque - ( Ware House ) 30 Pallets Estação de carga e descarga Robô transportador de pallets - ( RGV ) Computador FMS – CPU - ( Host ) Características das máquinas Centro de Usinagem Horizontal Fabricante : YAMAZAKI MAZAK CORP. - JAPÃO Modelo : MAZATECH H500 / 50 Sistemas flexíveis da manufatura SENAI42 Curso Eixo X ( movimento esquerda e direita) 720 mm Eixo Y (movimento vertical) 650 mm Eixo Z (movimento frente e traz) 650 mm Dimensão do pallet 500 x 500 Velocidades do eixo árvore 35 - 6000 rpm Avanço rápido 24.000 mm/min Assento da ferramenta MAS BT – 50 Capacidade de armazenagem de ferramenta 40 Método de selecionar ferramenta caminho mais curto Tempo de troca de ferramenta 2.5 seg Tempo de cavaco a cavaco 6.5 seg Motor do eixo-árvore AC 15 Kw Comando CNC MAZATROL T-32 32 bits TORNO CNC Fabricante : YAMAZAKI MAZAK CORP. Modelo : SLANT TURN 20N ATC MILL CENTER Diâmetro máximo sobre barramento 420 mm Diâmetro máximo usinável 420 mm Comprimento máximo usinável 1000 mm Velocidades do eixo-árvore 12 - 3000 rpm Trocador Automático de Ferramentas 16 ferram. Capacidade de armaz. de ferram. Motor do eixo da ferramenta rotativa AC 3,7 KW Motor do eixo-árvore AC 19,5 KW Comando CNC MAZATROL T-32 32 bits Sistemas flexíveis da manufatura SENAI 43 Bibliografia 1 MACHADO, Aryoldo. Comando Numérico Aplicado às Máquinas- Ferramentas. São Paulo: Ícone Editora Ltda. 1986 2 SENAI - MECATRÔNICA. Seminário de Automação. São Paulo: 1993 2 MONTEIRO SCOPEL, Lelis Marlon. Automação Industrial, Uma Abordagem Técnica e Econômica. Caxias do Sul . RS - Editora da Universidade de Caxias do Sul. 4 WILLIANS, David J. Manufaturing System. John Wiley e Sons, Inc. 5 INGERSOLL, Engineers, Integrated Manufaturing. IFS Publications Ltd. UK. 6 HORDESKI, Michael. Computer Integrated Manufaturing . 02_apresentaçao.pdf Eládio Villas Bôas 02_apresentaçao.pdf Eládio Villas Bôas
Compartilhar