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CARLOS FERNANDO DE OLIVEIRA SOUSA
Prof. José Antônio Poletto
Faculdade de Tecnologia de Graça (FATEC) Caixa Postal 17400-000- Garça/SP
Tecnologia em Mecatrônica Industrial
ABSTRACT
A long road has been traveled, the machines driven by compressed air in
Alexandria to pneumo-electronic devices of today. The refore, man has always tried to trap this strength to put it in his service, with a single goal: to control it and make it work when needed. Currently, control of air supplants the best grades of effciency, running operations without fatigue, saving time, tools and materials, in addition to security defornecer work.The term is derived from the Greek pneumatic Pneumos or Pneuma (breath, breath) and is defined as the part of physics that deals with the dynamics and physical phenomena related to gases or vacuums. It is also the study of energy conservation pneumatic energy into mechanical energy, through their work elements.
Key words: pneumatic, force, energy, compressed
RESUMO
Um longo caminho foi percorrido, das máquinas impulsionadas por ar comprimido na Alexandria aos engenhos pneumo-eletrônicos de nossos dias. Portanto, o homem sempre tentou aprisionar esta força para colocá-la a seu serviço, com um único objetivo: controlá-la e fazê-la trabalhar quando necessário. Atualmente, o controle do ar suplanta os melhores graus da eficiência, executando operações sem fadiga, economizando tempo, ferramentas e materiais, além de fornecer segurança ao trabalho. O termo pneumático é derivado do grego Pneumos ou Pneuma (respiração, sopro) e é definido como a parte da física que se ocupa da dinâmica e dos fenômenos físicos relacionados com os gases ou vácuos. É também o estudo da conservação da energia pneumática em energia mecânica, através dos respectivos elementos de trabalho.
Palavras chave: pneumática, força, energia, comprimido.
1- INTRODUÇÃO
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(Segundo Silva), apesar da base da pneumática ser um dos mais velhos
conhecimentos da humanidade, apenas no século XIX o seu desenvolvimento
se tornou sistemático. Por outro lado, apenas após o ano 1950 é que ela foi
realmente introduzida na produção industrial, devido à necessidade, cada vez
maior, de automatização e racionalização dos processos de trabalho. A sua
característica mais básica, é que emprega o ar comprimido para a transmissão
de potência. Assim, a pneumática, por definição, é a soma de aplicações onde
a energia da compressão do ar é utilizada, notadamente em atuadores
(cilindros e motores).
O controle do trabalho executado pela energia da compressão do ar é
efetuado por meio de válvulas. As aplicações são incontáveis, o trabalho
realizado com ar comprimido é insensível ás oscilações de temperatura. Isto
garante, também em situações térmicas extremas, um funcionamento seguro,
em termos de segurança não existe o perigo de explosão ou incêndio, portanto
não são necessárias custosas proteções contra explosões. O ar comprimido é
limpo, e o ar, que eventualmente escapa das tubulações ou outros elementos
inadequadamente vedados, não polui o ambiente. esta limpeza é uma
exigência, por exemplo, nas indústrias alimentícias, madeireiras, têxteis e em
curtumes (SILVA, 2012)
1.1 - OBJETIVOS
Projetar um protótipo prensa latas a fim de esclarecer seus componentes
elétricos e mecânicos detalhadamente, esclarecendo assim um sistema eletro-
pneumatico sem maiores dificuldades para o entendimento geral.
2 - JUSTIFICATIVA
Elaborar um sistema pneumático a fim de esclarecer o conhecimento
adquirido no curso de tecnologia em mecatrônica, usando artifícios da
pneumática e eletro-pneumatica por meio de um protótipo de prensa latas.
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Contando com a união de rele, temporizador, cilindro de dupla ação,
conexões pneumáticas sensor indutivo e montagem do sistema, viabilizando a
explicação de um circuito relacionado com força eletro-pneumática.
3 - REVISÃO BIBLIOGRAFICA
Em meio conteúdo referente ao tema, foram pesquisados diversos
elementos que compõem a montagem do sistema, desta forma o
esclarecimento sobre os componentes da montagem do protótipo fica
detalhado por dados encontrados através de pesquisas.
3.1 – Pistão
(Segundo Loureiro). Os atuadores pneumáticos, também conhecidos por
cilindros ou pistões pneumáticos, são na verdade elementos de trabalho, pois
são os elementos que transformam a energia do ar comprimido em trabalho
mecânico através de movimentos lineares e ou giratórios.
Os de movimento giratório, de aleta ou pinhão-cremalheira, podem ser
classificados de cilindros alternativos de giro limitado (até ±270º) e de motores
pneumáticos quando de giro continuo.
Atuadores lineares
Os cilindros pneumáticos, construídos nas mais diversas formas e
tamanhos, são os mais comuns e os mais utilizados nas instalações de
automação pneumáticas e se dividem em dois grupos principais
De simples ação, que realizam trabalho em uma direção, possuindo uma
única conexão de ar, sendo que o retorno à posição inicial pode se dar por
ação de mola ou de outra força externa.
De dupla ação ou duplo efeito, quando realizam trabalho em ambas
direções de avanço e de retorno, possuindo duas conexões de ar.
Cilindros de simples ação
Os cilindros de simples ação realizam trabalho em uma só direção do
curso, podendo ser do tipo haste avançada quando ele “puxa” a carga ou de
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haste recuada quando ele “empurra” a carga. O consumo de ar é menor que os
de dupla ação, uma vez que o retorno se dá por ação de uma mola ou de uma
força externa.
Cilindro de simples ação retorno por mola, tipo “empurra” a carga.
Devido à mola interna, a força deste cilindro é menor do que de um
cilindro de dupla ação do mesmo diâmetro e tem um curso de trabalho limitado
devido ao tamanho da mola.
A principal aplicação destes cilindros está em segurar, fixar, expulsar
peças, carimbar etc.
As medidas externas, para um mesmo curso, são maiores devido à mola
de retorno, por isto hoje em dia só se utilizam cilindros de ação simples de
tamanhos pequenos (Ø 2,5 a 25mm), cursos de até 50mm.
Cilindros de dupla ação:
Com este cilindro o trabalho se desenvolve nos dois sentidos do curso
de avanço e de retorno, uma vez que a pressão do ar comprimido atua nos
dois lados do êmbolo, sendo que quando a pressão atua no lado da haste a
força resultante é menor pois a área de atuação é menor devido a área da
haste do cilindro. Esta consideração é válida somente quando a mesma carga
é transportada nos dois sentidos. Em cilindros de haste passante as forças
resultantes são iguais. (LOUREIRO, 2011)
3.1.1 - Válvula pneumática
As válvulas pneumáticas, também conhecidas como válvulas em ângulo
ou válvulas operadas externamente constituem as válvulas de eleição nos
casos em que uma válvula solenoide não é adequada , as válvulas
pneumáticas constituem uma solução verdadeiramente eficaz em condições
difíceis; permitem grandes caudais e são capazes de funcionar com um
diferencial de pressão de zero, meios com temperaturas elevadas, valores
elevados de viscosidade e meios com níveis elevados de sujidade, podendo
ainda funcionar em áreas.
Estas válvulas possuem inúmeras possibilidades de aplicação:
Refrigeração,
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Pré-aquecimento,
Esterilizadores e autoclaves,
Lubrificação a alta pressão,
Distribuição de vapor
Engarrafamento
Equipamento de produção têxtil
Equipamento industrial de prensagem a vapor
Mistura de tintas e cores
Equipamento industrial de lavagem e limpeza e muito mais.
As válvulas são operadas através de um meio de controle pressurizado;
este meio consiste geralmente em ar comprimido. (DANFOS 2013)
3.1.2 - Rele
Os relés são dispositivos comutadores eletromecânicos, nas
proximidades de um eletroímã é instalada uma armadura móvel que tem por
finalidade abrir ou fechar um jogo de contatos. Quando a bobina é percorrida
por uma corrente elétrica é criado um campo magnético que atua sobre a
armadura, atraindo-a. Nesta atração ocorre um movimento que ativa os
contatos, os quais podem ser abertos, fechados ou comutados, dependendo de
sua posição. (BRAGA 2010)
Os relés se dizem energizados quando estão sendo percorridos por uma
corrente em sua bobina capaz de ativar seus contatos, e se dizem
desenergizados quando não há corrente circulando por sua bobina. Outra
característica importante dos relés é a segurança dada pelo isolamento do
circuito de controle em relação ao circuito que está sendo controlado. Não
existe contato elétrico entre o circuito da bobina e os circuitos dos contatos do
relé, o que significa que não há passagem de qualquer corrente do circuito que
ativa o relé para o circuito que ele controla, se o circuito controlado for de alta
tensão, por exemplo, este isolamento pode ser importante em termos de
segurança, do mesmo modo, podemos controlar circuitos de características
completamente diferentes usando relés: um relé, cuja bobina seja energizada
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com apenas 6 ou 12V, pode perfeitamente controlar circuitos de tensões mais
altas como 110V ou 220V. (BRAGA 2010)
O princípio do funcionamento do rele esta representado na Figura 1.
Figura 1 - Principio de funcionamento de um rele
Fonte: Braga (2010)
3.1.3 - Temporizador
Os temporizadores eletrônicos com função “retardo na desernigização”,
são aparelhos projetados para aplicações industriais onde qualidade,
confiabilidade, robustez e baixo custo são requisitos fundamentais.
Estes aparelhos de montagem interna são fixados através de trilho DIN
46277 ou por parafusos. Fabricados em diversas escalas e voltagens, facilitam
o trabalho do projetista e do montador.
O temporizador com a função “retardo na desergenização” comuta seu
contato de saída para a posição de trabalho quando o aparelho é energizado,
este é o modelo de preferência em linhas de montagens industriais.(AGUIAR
2013.)
3.1.4 – Conexão pneumática
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O método mais comum para conectar uma válvula é rosquear uma
conexão em cada orifício de pressão e pilotagem e um silenciador em cada
escape e posteriormente interligar estas com o atuador através de mangueiras.
(LOUREIRO 2011)
As mangueiras são conectadas em engates compostos na saída das
válvulas pneumáticas, os engates são usados como ligações desconectáveis
entre a mangueira e o equipamento (a ferramenta pneumática). É feita uma
distinção entre:
•Engates com rosca;
•Engates de encaixe;
Entretanto existem conexões que em sua saída são conectadas com
roscas ao invés de engates rápido, os acoplamentos com rosca são usados,
geralmente, quando o equipamento é instalado em local permanente. Os
engates de encaixe (engate rápido)permitem desconectar a mangueira de
forma mais fácil e sem uso de ferramentas, p.ex., da rede de tubulações ou da
ferramenta pneumática. Portanto, eles são empregados onde se requer
flexibilidade de uso. (BOSCH 2013)
Modelos de conexões pneumáticas estão demonstrados na figura 2.
Figura 2 - Diversos modelos de conexões pneumáticas.
Fonte: FESTO (2011)
3.1.5 – Sensor indutivo
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Segundo o fabricante Sense, os sensores indutivos são equipamentos
eletrônicos capazes de detectar a aproximação de peças metálicas,
componentes, elementos de máquinas, etc, em substituição às tradicionais
chaves fim de curso. (SENSE 2012)
A detecção ocorre sem que haja o contato físico entre o sensor e o
acionador, aumentando a vida útil do sensor por não possuir peças móveis
sujeitas a desgastes mecânicos, o seu princípio de funcionamento, baseia-se
na geração de um campo eletromagnético de alta frequência, que é
desenvolvido por uma bobina ressonante instalada na face sensora.
A bobina faz parte de um circuito oscilador que em condição normal
(desacionada) gera um sinal senoidal. Quando um metal aproxima-se do
campo, este por correntes de superfície (Foulcault) absorve a energia do
campo, diminuindo a amplitude do sinal gerado no oscilador.
A variação de amplitude deste sinal é convertida em uma variação
contínua que comparada com um valor padrão, passa a atuar no estágio de
saída, em sua face Sensora é o local onde a superfície o campo
eletromagnético, levando em parâmetro a distância em que se aproximando o
acionador da face sensora, o sensor muda o estado da saída. A distância de
acionamento é em função do tamanho da bobina. Assim, não se pode
especificar a distância sensora e o tamanho do sensor simultaneamente.
(SENSE 2012)
3.1.6 – Fonte 24 vcc
A fonte de alimentação CC é um dos mais importantes circuitos da
Eletrônica, uma vez que ela é a responsável pela conversão da tensão
alternada VCA, disponível na rede elétrica, em uma tensão contínua VCC
regulada, adequada para o funcionamento correto dos demais circuitos
eletrônicos de um sistema. (PEREIRA 2012)
A tensão fornecida pela concessionária de energia elétrica é alternada
ao passo que os dispositivos eletrônicos operam com tensão contínua. Então é
necessário retificá-la e isto é feito através dos circuitos retificadores que
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convertem corrente alternada em corrente contínua. Temos os retificadores
monofásicos para uso em aparelhos eletrônicos de um modo geral e os
retificadores polifásicos para uso em circuitos industriais de alta potência.
Destacarei neste artigo os três tipos de retificadores monofásicos que são:
• Retificador de meia onda;
• Retificador de onda completa, utilizando transformador com derivação
central.
• Retificador de onda completa em ponte.
Para transformar a tensão alternada disponível na tomada em tensão
contínua, temos que utilizar um circuito normalmente conhecido como fonte de
alimentação. Veja na figura 3 o diagrama de blocos de uma fonte de
alimentação. (PEREIRA 2011)
Figura 3 - Diagrama de blocos em uma fonte de alimentação.
Fonte – PEREIRA (2011)
4 - MATERIAIS E METODOS
Com a utilização de um conjunto de peças pneumáticas, foi montado um
sistema que torna a maquete totalmente semi-automático no uso de
prensagem de latas, ou seja, a energia consumida por um compressor de ar
movimentará o pistão através de uma válvula 5/2 vias que por fim efetuará o
trabalho final prensando as latas, fazendo com que este trabalho fique continuo
e repetitivo, mantendo o sistema sempre funcionando.
O protótipo foi desenvolvido visando obter o máximo de eficiência de
todos os dispositivos, aumentando a autonomia do sistema de um possível
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protótipo para auxilio na reciclagem de latas de alumínio, garantindo a
eficiência de trabalho sem meios poluentes ao meio ambiente.
4.1 – Modelo do pistão
O modelo usado em questão o protótipo é o pistão de dupla ação sendo
que o mesmo é acionado pelo ar comprimido em ambos os cursos, portanto
tem duas entradas de ar, realiza um trabalho aproveitável nos dois sentidos de
movimento seu funcionamento consiste em transformam a energia potencial do
ar comprimido em energia cinética ou em prensores,. basicamente consistem
em um recipiente cilíndrico provido de um êmbolo ou pistão, ao introduzir-se
uma certa vazão de ar comprimido, este se expande dentro da câmara e
provoca um deslocamento linear. Se for acoplada uma haste rígida ao êmbolo,
proporcional à pressão do ar e à superfície do pistão este mecanismo será
capaz de empurrar um corpo, ou simplesmente prendê-lo. (Microautomacion
2010)
Calculo de avanço e recuo do pistão
Dados diâmetro do pistão 45mm 0,045m
Dados diâmetro da haste 10mm 0,010m
Pressão de trabalho 6 bar, 1 bar = 10^5 N M² P=F F= PxA A Fa=PxAp Fr=PxAh Ap= π . Dp² 4 Ac=Ap-Ah Ac= π . dp² - π.dh²
4 4
Ap= π.dp² = π.0.045² = 0,001589625 M²
4 4
30
Fa=PxAp = 6 x 10^5N x 0,001589625M² = 953,775N M² Ah= π.dh² 4 Ah= π.0.010²
4
Ah=0,000078539816M²
Ac= Ap-Ah
Ac= 0,001589625 - 0,000078539816 = 0,0015110851M²
Fr= = 6 x 10^5N . 0,0015110851M ² = 906.651N
M²
Figura 4-pistão de dupla ação
Fonte-FESTO (2011)
4.1.2 – Válvula pneumática
Dentro do uso da valvula pneumatica se adequa usar a valvula com as
seguintes caracteristicas e dimensionamento:
5 vias de trabalho
2 posições de comando
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Acionamento por pulso de pressão piloto direta, de ambos os lados
Acionamento manual auxiliar
Comportamento de memória (bi-estável)
Pressão de trabalho: de 0 a 10 bar
Vazão nominal: 600 lpm conexões de engate rápido tipo quick star, para
tubos flexíveis, equipada com silenciadores nos pórticos de exaustão para a
atmosfera, montada sobre base de fixação rápida no tampo do painel, sem o
uso de ferramentas (Festo 2011)
Figura 5 -Valvula 5/2 vias
Fonte – FESTO (2011)
Figura 6 - Demonstração das linhas de ar interna
Fonte - Autor (2013)
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Figura 7 – Desenho técnico de uma válvula 5/2 vias
acionamento por duplo solenóide
Fonte – Autor (2013)
4.1.3 - Relê
Componente de rele usado na construção do protótipo é com base de:
24Vcc, rele auxiliar HH52P
HH54P pinos quadrado,
Disposição de contato(2NA/4NF)reversíveis,
Capacidade dos contatos 5ª-250V / 10ª-127V,
Potencia de comutação 1200VA /
Resistência de 50 ohms, material dos contato de liga de prata,
temperatura de operação de 55° a 80°, 14 pinos no total ( JMT, 2013).
Figura 8 - Rele de 24Vcc
Fonte- JMT (2013)
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4.1.4 – Temporizador
Contendo as seguintes as características mencionadas de
dimensionamento, para este protótipo será usado um temporizador, com
alimentação de 94 a 242 vca quando ligado os pinos a e A2 e B e A2 quando
ligado em tensão de 24 vcc/vca, temporizador cíclico com regulagens de
tempos independentes com varias escalas de tempos disponíveis, contendo no
dispositivo caixa em ABS V0, DIN 22,5 x75 mm com fixação por trilho DIN
35mm. (COEL 2013)
Figura – 9 temporizador fabricante COEL
Fonte - COEL (2013)
4.1.5 – Conexão
Conexão em L modelo festo, modelo com melhor adaptação e
deslocamento fácil para engate dos tubos, modelo pelo qual usado consta com
características de medidas de rosca de ¼ BSP e saída para tubo flexível de
6mm, interno com engate rápido, acompanhado de anilha para deslocamento
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do tubo, esta conexão será usada como entradas e saídas de ar nas válvulas e
saida da unidade compressora. ( Festo 2011)
Figura 10 – Conexão em L ¼ x 6mm
Fonte - FESTO (2011)
4.1.6 – Sensor indutivo
Os sensores indutivos são equipamentos eletrônicos capazes de
detectar a aproximação de peças metálicas, componentes, elementos de
máquinas, etc, em substituição às tradicionais chaves fim de curso.
A detecção ocorre sem que haja o contato físico entre o sensor e o
acionador, aumentando a vida útil do sensor por não possuir peças móveis
sujeitas a desgastes mecânicos, o seu princípio de funcionamento, baseia-se
na geração de um campo eletromagnético de alta freqüência, que é
desenvolvido por uma bobina ressonante instalada na face sensora.(Sense
2012)
Figura 11 - Sensor usado no protótipo
Fonte - SENSE (2013)
4.1.7 – Fonte 24 vcc
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Para o protótipo será usado uma fonte montada da seguinte forma:
Segundo Filipe Pereira na maior parte das fontes de alimentação, o
transformador baixa o nível da tensão de entrada para valores eficazes na faixa
de 5 V a 24 V.
O retificador converte tensão alternada em tensão contínua pulsante.
Um retificador pode ser de meia onda, onda completa ou em ponte. O
dispositivo utilizado nos retificadores é o diodo, devido à sua característica de
conduzir a corrente elétrica num único sentido. Fonte – PEREIRA 2011
4.1.8 - Ligações mecânicas e elétricas.
Segundo fabricante Festo, o Fluidsim que é uma moderna ferramenta
agora está disponível em Língua Portuguesa. Com o FluidSIM você pode
desenhar seus circuitos de Pneumática e Eletropneumática ou Hidráulica e
Eletro-hidráulica, além de Blocos Lógicos e Diagrama Ladder com toda a
facilidade que só um ambiente Windows proporciona. Os símbolos
normalizados são extraídos de uma biblioteca de fácil acesso por um simples
"clicar e arrastar". (Os modelos das partes elétricas e mecânicas estão
descritos nas figuras 12 e 13 respectivamente).
Neste programa pode simular o funcionamento de todos os circuitos
desenhados, além de acompanhar os valores das principais variáveis
envolvidas, tais como: Pressão, Vazão, Posição, etc. Fonte (FESTO 2010)
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Figura 12 – esquema eletro pneumático do protótipo.
Fonte – AUTOR (2013)
Figura 13 – esquema mecânico pneumático do protótipo.
Fonte AUTOR (2013)
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5 - CONSIDERAÇÕES FINAIS
O protótipo foi desenvolvido visando obter o máximo de eficiência de
todos os dispositivos, aumentando a autonomia do sistema de um possível
protótipo para auxilio na reciclagem de latas de alumínio, garantindo a
eficiência de trabalho sem meios poluentes ao meio ambiente.
6- REFERÊNCIAS
AGUIAR 2013, disponível em catalogo em, < http://www.mundoeletrico. com/downloads/Hlt00147%20DTDA1.pdf> Acesso em 23/04/2013.
BOSCH,2013, disponível em <http://www.bosch.com.br/br/ferramentas
_pneumaticas/produtos/downloads/75_perg_resp_pneumaticas.pdf>. Acesso em 25/04/2013
BRAGA 2010, disponível em <http://www.newtoncbraga.com.br
/index.php/como-funciona/597-como-funcionam-os-reles> Acesso em 23/04/2013.
COEL, 2013, disponível em catalogo de produtos <www.coel.com.br>
acesso em 26/02/2013 DANFOS, 2013, disponível em <http://danfos.com/latin-america-
portuguese/BusinessAreas/IndustrialAutomation/Products_pdf-Angle+seat+valves.htm> Acesso em 23/04/2013.
FESTO, 2011, disponível em <http://www.festo.com/cms/pt-
br_br/5675.htm > acesso em 25/03/2013. JMT, 2013, disponível em , <http://www.eletricajmt.com.br
/product.php?id_product=318> acesso em 26/02/2013. MARIO 2011, disponível em <http://www.marioloureiro.net/tecnica /pneumatica/fundamentos3.pdf> acesso em 23/04/2013. MICROAUTOMACION 2010, disponível em catalogo de cilindros
<http://www.microautomacion.com/catalogo/Cilindros.pdf> Acesso em 13 de março de 2013.
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Pereira 2011, disponível em <http://www.sabereletronica.com.br /secoes/leitura/1820>; Pereira. F, Artigo fonte de alimentação, Acesso
em 25/04/2013. SENSE 2012, disponível em <http://www.sense.com.br/idiomas/pt_BR //arquivos/produtos/arq2/Indutivos.pdf> acesso em 10/04/2013.
SILVA, D, A, S 2012, disponível em <http://www.ebah.com.br/content/ ABAAAAgfgAB/pneumatica-basica> (Diego Almir Silva da Silva ) Acesso em 13 de março de 2013.