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PROJETO DE UMA CHOPEIRA AUTOMATIZADA
Leandro de Melo Ortiz¹
Prof. Dr. Ulysses de Barros Fernandes²
Abstract - This article describes the construction of a prototype machine for autonomous trade draft beer to be applied at various locations of people flow. This prototype provides economic advances, improvements in working conditions and care. Through knowledge has gotten in the course of Industrial Robotics, it was possible a prototype implementation using sensors, relays, solenoids, motor, and Programmable Logic Controller (PLC). This prototype machine could be used by inserting the money in the player and pressing a button, a standard cup will be hosted on one platform and this standard cup will fill up with a predetermined dose of cold beer, this platform will be conducted through two zones that will be driven by gears and a chain driven by a motor. With all this technology, we can suit this machine draft beer needs to crowded places using a fast-beer system (drink quickly) in these places. Putting this machine in crowded places it will be possible to offer a better service and to get greater people´s satisfaction .This machine draft beer system works completely isolated from human contact, avoiding the risk of micro–organism contagion, By using this machine, the customers´ needs and wishes will be satisfied quickly and effectively. Its initial investment is a medium cost of capital. It will promote a significant evolution in attendance, and economically, it can reduce expenses in renting, reducing the amount of labor and increasing the processes´quality. Keyword: Beer Cooler. Automation. Industrial Mechatronics. Resumo - Este artigo descreve a construção de um protótipo de máquina autônoma para o comércio de chopp a ser usado em locais onde haja grande fluxo de pessoas. Este protótipo propicia avanços econômicos, melhoras nas condições de trabalho e atendimento de pessoas. A partir do conhecimento adquirido no curso de Mecatrônica Industrial foi possível, o desenvolvimento de um protótipo através da utilização de sensores, relês, válvulas solenóides, motor e de um Controlador Lógico Programável (CLP). Esta máquina será capaz de atender, rapidamente, a um grande público, pois o seu manuseio é fácil e simples. Para comprar a bebida, o cliente deverá inserir o dinheiro no leitor e pressionar um botão. Depois dessas operações, um copo padrão será alojado em uma plataforma e ele será cheio de uma dosagem pré-estabelecida de chopp, que, por sua vez, ficará disponível para o cliente. Essa plataforma do copo será conduzida através de dois fusos e será movida por engrenagens e uma corrente acionada por um motor, o quê, agiliza todo o processo. A máquina trabalhará no sistema fast-beer (bebida rápida) e poderá atender às demandas nesses locais de grande movimentação. Com a colocação de uma dessas máquinas em locais de grande acesso de pessoas, é possível ter-se um melhor atendimento e maior satisfação das pessoas, pois, com o seu sistema trabalhando totalmente isolado de contato humano, evita o risco de contágio por algum micro-organismo. O uso dessa máquina atende de forma rápida e eficaz as necessidades e os desejos do consumidor. O investimento inicial nessa máquina é de médio custo, mas através de seu uso, pode haver uma relevante evolução no atendimento aos clientes, e economicamente, ela pode reduzir despesas com o aluguel de pontos comerciais, e também, reduzir a quantidade de mão de obra e aumentar a qualidade nos processos. Palavras-chave: Chopeira. Automação. Mecatrônica Industrial.
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1 INTRODUÇÃO
Com a evolução do mercado, no segmento de bebidas, o desenvolvimento de
tecnologias para a automação das chopeiras, se faz relevante, com o intuito de
propiciar a agilidade e a eficácia no atendimento aos clientes, o que reflete a escolha
do tema, por sua relevância social e científica, e da pesquisa propriamente dita.
Com o avanço tecnológico em todos os setores, percebe-se a necessidade de
se aprimorar o conhecimento em mecatrônica, e a implementação da automatização
no segmento de bebidas com a chopeira.
Para a realização do trabalho, buscou-se a pesquisa bibliográfica, como
referencial teórico, com informações em mídias eletrônicas e escritas, as quais
respaldam os argumentos para as questões colocadas.
Em busca de referenciais bibliográficos para desenvolvimento do projeto,
pesquisou-se sobre o funcionamento de sensores capacitivos, programação em CLP
(Controlador Lógico Programável), atuadores (válvula solenóide), e Sistemas
Mecânicos de Alimentação de Processos.
A pesquisa, portanto, se constitui em um referencial que contempla a questão
social, econômica e cultural, para agilizar o atendimento, beneficiando
principalmente a comunidade consumidora.
1.1 Objetivos
Geral:
Propiciar o conhecimento do avanço tecnológico, implementado em
chopeiras, para otimização e eficácia no atendimento aos clientes finais, os
consumidores.
Específicos:
Construir um protótipo funcional no setor de chopeiras, modernizando o
sistema de atendimento ao consumidor, com o aumento do feedback entre
proprietário e cliente.
Oportunizar aos empresários do ramo de chopeiras, o atendimento eficaz, a
partir do pedido do cliente, melhorando o tempo e a qualidade de entrega do
produto.
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2 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Para realização do Projeto de Pesquisa, buscou-se o referencial teórico, para
ancorar as questões colocadas, por meio da revisão da literatura disponível.
Como metodologia, será elaborado e desenvolvido um protótipo funcional,
que se constituirá em um experimento sobre a chopeira automatizada, com a
utilização de duas válvulas solenoide, dois sensores capacitivos, um dosador
(misturador), rodas dentadas e corrente, motor CC (corrente contínua), para
oferecerem um chopp com qualidade diminuindo o desperdício de bebidas e
otimizando o atendimento ao publico, além de inovar este segmento.
O processo de entrega do produto final constitui-se em ao reconhecer o
dinheiro e pressionar o botão, um copo cairá automaticamente na base da
plataforma, onde o sensor capacitivo ao reconhecer que existe um copo, emitirá um
sinal para uma CLP, que ira ativar o motor de corrente contínua acoplado em uma
engrenagem acionará outras duas engrenagens através de uma corrente, assim
movendo a plataforma onde o copo está alojado através de dois fusos até o bocal de
enchimento que sua abertura e fechamento são comandados por uma válvula
solenoide, o chopp passa pela serpentina para resfriamento do líquido que irá
encher o copo. Ao termino, a plataforma se deslocará levando o copo ao alcance de
consumidor, após a retirada do copo da plataforma, a mesma voltará à fase inicial,
ou seja, próximo ao compartimento e copos, e o sistema se reabilitará até a leitura
do próximo papel moeda.
3 PROTÓTIPO FUNCIONAL
Com a utilização de um sistema mecânico de alimentação de processo
dotado de duas barras roscadas acoplada a engrenagens e um motor, movimentará
uma plataforma onde está alojado um copo que através do controle por uma CLP
(Controlador Lógico Programável), torna o protótipo funcional um sistema autômato
que poderá oferecer a consumidores chopp em questão de segundos sem a
necessidade de alguém para operá-la.
O protótipo foi desenvolvido para atender as necessidade de um público
consumidor de chopp e que possa ser locado em locais de grande fluxo de pessoas.
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4 MATERIAIS E MÉTODOS
Foi utilizado um sistema mecânico no qual consiste em após a acomodação
do copo na base da plataforma, esse sistema irá leva-lo para ser preenchido com
chopp e após esse processo, o sistema irá trazer o copo novamente para que o
cliente possa pegá-lo já cheio e totalmente livre de contaminação durante o
processo.
4.1 Chopeira e Reservatório
A choperia utilizada é composta por um reservatório onde estará o líquido,
uma serpentina, compartimento para colocação do gelo e uma bomba manual para
pressurização do sistema, conforme figura 1.
Figura 1 – Chopeira.
Fonte: Ortiz (2013).
4.2 Sensores Indutivos
Sensores Indutivos serão utilizados como localizadores de início e final de
curso na plataforma de transporte, os transdutores ou sensores indutivos
reconhecem a variação magnética como uma alteração na indutância ou coeficiente
de autoindução de uma bobina, esta variação dependendo da distância entre o
material metálico e o campo magnético, emite um sinal elétrico de leitura. Segue
abaixo exemplificação do funcionamento do sensor indutivo, de acordo com a figura
2.
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Figura 2 – Princípio de operação de um sensor indutivo
Fonte: Pereira (2010).
No protótipo serão utilizados dois sensores indutivos que serão instalados
como inicio e fim de curso nas extremidades do sistema de transporte que detectará
onde está a plataforma que contém o copo. Foram utilizados 2 (dois) sensores
indutivos do fabricante FESTO (figura 3).
Figura 3 – Sensor indutivo festo-didactic
Fonte: Festo (2013).
4.3 Sensor Capacitivo
Os sensores de proximidade capacitivos utilizam como princípio de
funcionamento a variação de um dielétrico, pois um oscilador alimenta um capacitor
formado por duas placas em sua extremidade, que é a parte sensível do aparelho.
Ao entrar em contato com algum material, provoca uma variação da capacitância
detectada pelo circuito de acionamento do sensor alterando o oscilador e emitindo
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um sinal da presença do material. Esse tipo de sensor pode ler vários tipos de
materiais como por exemplo: vidro, madeira, grãos, pós, líquidos, entre outros.
Na figura 4, exemplificação do funcionamento do sensor capacitivo.
Figura 4 – Princípio de operação de um sensor capacitivo
Fonte: Pereira (2010).
No protótipo serão utilizados 2 (dois) sensores capacitivos, onde o primeiro
será responsável em verificar se o copo está alojado na plataforma, onde na
presença do copo acionará o movimento da plataforma até o bocal de enchimento, e
o segundo será responsável em verificar o nível do líquido e ao encher o copo
emitirá um sinal fechando o fluxo do líquido. Os sensores capacitivos utilizados são
do fabricante FESTO (figura 5).
Figura 5 – Sensor capacitivo festo-didactic
Fonte: Festo (2013).
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4.4 Controlador Lógico Programável (CLP)
O Controlador Lógico Programável (CLP) é baseado em um microprocessador
que desempenha funções de controle através de um software desenvolvido para
cada CLP. O CLP trata-se de um equipamento eletrônico digital utilizado em
aplicações industriais, utilizando uma memória programável para armazenar
instruções e para implementar funções específicas como lógicas, sequenciamento,
temporização, contagem aritmética, etc.
O CLP é um controlador que é indicado para sistemas caracterizados como
discretos, ou seja, suas variáveis assumem valores um e zero. Os CLPs são muito
difundidos na área de automação industrial e no controle de processos.
Segundo International Electrotechnical Commission – IEC (2003).
CLP é um sistema eletrônico operando digitalmente, projetado para uso em um ambiente industrial, que usa uma memória programável para a armazenagem interna de instruções orientadas para o usuário para implementar funções especificas, tais como lógica, sequencial, temporização, contagem e aritmética para controlar, através de entradas e saídas digitais ou analógicas, vários tipos de maquinas ou processos. O controlador programável e seus periféricos associados são projetados para serem facilmente integráveis em um sistema de controle industrial e facilmente usados em todas suas funções previstas [...].
Para controle do sistema foi utilizado um CLP Festo-Didactic FEC-600
Standart, conforme figura 6.
Figura 6 – Controlador lógico programável FEC-600 Standart
Fonte: Festo (2013).
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4.5 Válvulas Solenóides
A válvula solenoide em geral utiliza um processo de indução elétrica, sendo
composto por um enrolamento de fio em um eixo móvel (semelhante ao enrolamento
de um motor elétrico) e quando a energia elétrica passa através do enrolamento,
cria-se um campo magnético que atua um êmbolo interrompendo ou liberando a
passagem de líquido ou gás.
Segundo Sadri (2008, p.382)
Um solenóide é um atuador de translação com uma faixa de movimento bastante limitada. Os solenóides são usados em válvulas de controle de fluxo e em atuadores de deslocamento de translação de pequeno curso. Um solenoide é composto de uma bobina, de uma carcaça, que é feita de um material com alta permeabilidade para guiar o fluxo magnético, de um êmbolo, de um batente (e de uma mola central na maioria dos casos) e um carretel [...].
A maioria dos solenoides é formada por duas vias, uma porta de entrada e
outra de saída, onde um piloto serve como mecanismo de deslocamento para a
abertura ou de fechamento total do sistema, conforme figura 7.
Figura 7 – Princípio de funcionamento de uma válvula solenóide
Fonte: Cortinhas, Braga e Van Kemil (2011)
No protótipo foram utilizadas 2 (duas) válvulas solenoides para irrigação, por
serem de baixo custo e não oferecerem contaminação ao líquido a ser controlado
(figura8).
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Figura 8 – Válvula Solenóide 2/2 NF para irrigação
Fonte: Ortiz (2013).
4.6 Motor
O motor de corrente contínua (CC) é um dispositivo eletromecânico lineares,
cuja sua potência depende da tensão que é aplicada e da intensidade de corrente
que circula através dele. O seu funcionamento tem como princípio a alimentação por
uma fonte de corrente contínua que gera um campo magnético interno, o qual é
responsável por girar o rotor e ao inverter a polaridade de alimentação, o rotor gira
em sentido contrário (figura 9).
Figura 9 – Motor de Corrente Contínua de vidro elétrico fabricante Bosch.
Fonte: Ortiz (2013).
O motor que será utilizado contém uma redução interna por rosca sem fim,
sendo que a velocidade da engrenagem será de 74 RPM (rotações por minuto) ou
1,23 RPS (rotações por segundo).
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4.7 Fusos
Os fusos que também podem ser chamados de macacos ou atuadores
lineares, foram aplicados no protótipo com as configurações de comprimento de 68
centímetros para cada uma e seu passo é igual a 11 voltas por polegada, ao serem
acionados simultaneamente fazem com que porcas livremente alojadas a eles, com
seu movimento de rotação movimente lentamente uma plataforma por sua extensão,
sem solavancos e com precisão. Um dos motivos da escolha desse tipo de
transmissão, foi o seu baixo custo facilidade de controle, por se tratar de transporte
de um recipiente contendo líquido, há a necessidade de que não haja nenhum
problema que possa derruba-lo e o sistema oferece um transporte suave e sem
solavancos.
Segundo Collins (2006, p. 389)
Parafusos de potência, algumas vezes chamados de macacos, fusos ou atuadores lineares, são elementos de máquinas que transformam movimento rotativo em movimento de translação, ou amplificam uma pequena força tangencial deslocando-se (em trajetória circular) ao longo de uma grande distância em uma grande força axial deslocando-se ao longo de uma pequena distância. Geometricamente, um parafuso de potência é um eixo roscado com um colar de apoio em uma das extremidades, encaixado em uma porca acoplada a rosca.
Para demonstrar de forma mais efetiva do comportamento da plataforma no
percurso do fuso foram feito alguns cálculos de acordo com os seguintes dados:
Percurso total da plataforma – 20 cm (200 mm)
Rotação do moto – 1,23 RPS (74 RPM)
Passo do fuso – 11 voltas por polegada
Na conversão do passo para milímetros foi calculado que a plataforma avançará
2,30909 mm por volta do fuso, logo serão necessárias 86,61 voltas para atingir a
extensão do trajeto de 200 milímetros e esse trajeto será efetuado em
aproximadamente em 1 minuto e 10 segundos decorrente da velocidade de 1,23
RPS, conforme figura 10.
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Figura 10 – Dois fusos com a plataforma móvel
Fonte: Ortiz (2013)
4.8 Engrenagens
São rodas de dentes padronizados que servem para transmitir força e
movimento entre dois eixos. Algumas vezes as engrenagens são utilizadas para
variar o número de rotações ou o sentido da rotação de um eixo para o outro (figura
11).
Figura 11 - Perfil de engrenagem de dente reto
Fonte: Provenza (1988).
No protótipo foram utilizadas 3 (três) engrenagens sendo 1 (uma) motora e 2
(duas) movidas, ambas contém 38 dentes. Sua relação de transmissão é igual a 1
para 1, conforme figura 12.
i =
1
2
z
z=
38
38= 1 i =
1
3
z
z=
38
38= 1
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Figura12 – Engrenagens utilizadas
Fonte: Ortiz (2013)
4.9 Corrente Silenciosa (Dentes Invertidos)
Esse tipo de corrente tem esse nome por sua operação ser relativamente
silenciosa, são constituídas de elos dentados que são conectados a pinos que
permitem essa articulação. Esse processo de articulação permite que os dentes se
encaixem perfeitamente nos dentes das engrenagens, normalmente os perfil dos
dentes do pinhão e da corrente são retos, o engrenamento é gradual, ou seja, o
acoplamento é feito com o perfil equivalente do dente da engrenagem (figura 13).
Figura 13 - Engrenamento da corrente silenciosa
Fonte: Generoso (2009).
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Segundo Collins (2006, p.644)
A potencia é transmitida pelo engrenamento dos dentes da corrente com os dentes da roda dentada, gerando tipicamente uma operação suave e silenciosa similar a transmissão por correria, mas com compatibilidade e resistência similares a transmissão por engrenagens.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Durante a execução do protótipo, observou-se que a melhor forma de se obter
a harmonia perfeita entre o chopp e a espuma será utilizada uma célula de carga ao
invés do sensor capacitivo como controle de nível, e utilizando uma serpentina maior
o chopp poderá chegar a uma temperatura próxima do 0º C diminuindo a formação
de uma grande quantidade de espuma.
No desenvolvimento do protótipo, notou-se que por se tratar de uma
inovação, sua aceitabilidade será boa, pois ao isolar o copo do contato humano
observou-se que pode não haver contágio por micro-organismos, trazendo uma
ótima qualidade do produto oferecido.
REFERÊNCIAS
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GENEROSO, Daniel J. 2009. Disponível em: <https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/images/9/9c/Apostila_elementos_de_maquinas.pdf >. Acesso em: 30 abr. 2013.
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