MARCELO RAMOS DE ALBUQUERQUE BARROS
ESTUDO DA AUTOMAO DE CLULAS DE MANUFATURA PARA MONTAGENS E
SOLDAGEM INDUSTRIAL DE CARROCERIAS AUTOMOTIVAS
Trabalho de concluso de curso apresentado Escola Politcnica da
Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Mestre em
Engenharia.
So Paulo 2006
1
MARCELO RAMOS DE ALBUQUERQUE BARROS
ESTUDO DA AUTOMAO DE CLULAS DE MANUFATURA PARA MONTAGENS E
SOLDAGEM INDUSTRIAL DE CARROCERIAS AUTOMOTIVAS
Trabalho de concluso de curso apresentado Escola Politcnica da
Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Mestre em
Engenharia. rea de concentrao: Engenharia Automotiva
So Paulo 2006
2
Este exemplar foi revisado e alterado em relao verso original,
sob responsabilidade nica do autor com a anuncia do orientador So
Paulo, ____ de ________________de _______
Assinatura do autor
..................................................................................................
Assinatura do orientador
...........................................................................................
FICHA CATALOGRFICA
Barros, Marcelo Ramos de Albuquerque Estudo da automao de clulas
de manufatura para montagens e soldagem industrial de carrocerias
automotivas / M.R. de A. Barros. ed.rev. -- So Paulo, 2006. 133 p.
Trabalho de curso (Mestrado Profissionalizante em Engenharia
Automotiva) - Escola Politcnica da Universidade de So Paulo.
1.Clulas de manufatura (Automao) 2.Carroaria 3.Soldagem
4.Engenharia automotiva I.Universidade de So Paulo. Escola
Politcnica II.t.
3
minha mulher Nala e minha filha Beatriz, pelo amor, incentivo e
compreenso.
4
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador, Prof. Dr. Gilmar Ferreira Batalha , agradeo
pelos conselhos e ensinamentos, pela ateno e pacincia dedicados a
mim, sem os quais o presente trabalho no se concretizaria.
Volkswagen e a Phoenix Contact do Brasil, por permitir a
publicao dos dados e informaes contidas neste trabalho.
Aos tios Stella e Victor, Simone e Beto, que pacientemente me
receberam em seus lares durante o curso.
5
RESUMOA proposta deste trabalho apresentar uma soluo de
arquitetura de automao padronizada para controle de clulas de
montagem de carrocerias automotivas de baixo custo e de alta
performance. Obteve-se o resultado aps a anlise das propostas dos
principais fabricantes de tecnologias de CLPs e redes de comunicao
e controle, comparando-se as recentes instalaes em algumas plantas
da rea automotiva. Apesar dos resultados financeiros ainda no serem
atestados at a data de publicao deste trabalho, as vantagens
tcnicas podero ser comprovadas. A busca por essa arquitetura de
controle foi motivada pela implantao da nova famlia de veculos
intitulada VW 23x. Entre as caractersticas da arquitetura
apresentada est a estruturao do programa de CLP nas duas principais
linguagens previstas na norma IEC 61131-3: a SFC (Sequenciamento
Grfico de Funes) e a FB (Blocos Funcionais). A estruturao da
arquitetura de software original em relao utilizao da linguagem SFC
para este tipo de aplicao, e oferece um diagnstico mais preciso de
falhas da seqncia operacional quando comparado a outras solues.
Outra vantagem apresentada nesta arquitetura de automao, at ento
indita no grupo Volkswagen, diz respeito integrao da rede de
dispositivos de entradas e sadas de controle de processo e de
segurana, proporcionando uma instalao mais simples.
Palavras-Chave: Automao, CLP, Clulas de Manufatura, Montagem,
Soldagem, Carrocerias e Engenharia Automotiva.
6
ABSTRACT STUDY ON AUTOMATION OF MANUFACTURING CELLS FOR
ASSEMBLING AND WELDING OF AUTOMOTIVE BODY IN WHITEThe proposal of
this work is to present a solution of standardized automation
architecture for the control of assembly cells of low cost and high
performance automotive body in white. The result obtained was
accomplished analyzing the proposals of the main manufacturers of
CLP technologies and communication and control nets and, making
comparisons among recent installations in some automotive area
plants. In spite of the financial results not being able to be
corroborated up to the date of the publication of this work, the
technical advantages will be able to be confirmed. The search of
this control architecture was motivated by the implantation of the
new family of vehicles named VW 23x. Among the advantages obtained
with the adoption of the solution presented in this work is the
structure of the CLP program in two main languages anticipated in
the IEC 61131-3 norm: The FB (Futions Blocks) SFC (Structured Flow
Chart). Considering the software architecture, it is original as it
refers to the use of the SFC language for this type of application
and brings advantages in the more accurate diagnosis of flaws when
compared with other solutions. Another advantage presented in this
architecture is unprecedented in the Volkswagen group and it refers
to the integration between the net of discrets signals of controll
devices and security devices.
Keywords: Automation, PLC, manufacturing cells, assembling,
welding, body in white, automotive engineering.
7
SumrioLISTA DE TABELAS LISTA DE FIGURAS LISTA ABREVIATURAS E
SIGLAS LISTA DE SMBOLOS
1 1.1 1.2 2 2.1 2.2 2.3 2.3.1 3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2 3.3 4
4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.2 5 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.4 5.5
5.6 6
INTRODUO Objetivos Organizao do texto PROCESSO DE MONTAGEM DE
CARROCERIAS AUTOMOTIVAS Classificao dos processos de juno Cenrio
dos pilares bsicos para o projeto da junta de solda Controle
dimensional e geometria Conceito RPS (Sistema de Pontos de
Referncia) INTRODUO TERICA AO CONCEITO DE EVENTOS DISCRETOS
Conceitos gerais Sistemas discretos no tempo Sistemas de eventos
discretos Propriedades e caractersticas de um SED Resumo da
Classificao dos sistemas de controle Conceito de controle automtico
para SVC e SED INTRODUO AOS SISTEMAS DE MANUFATURA Classificao dos
Sistemas de Produo Sistemas de Produo em Massa Sistemas de Produo
em Lotes Sistemas de Produo por Encomenda (Jobbing Shop) Sistemas
Flexveis de Manufatura. Flexibilidade nos Sistemas de Manufatura O
Conceito TPS (Manufatura Enxuta) SISTEMAS DE MANUFATURA
AUTOMATIZADOS Breve Histrico Vantagens da Automao na Manufatura O
Impacto Social na Implantao da Manufatura Automatizada O impacto
Social no Brasil A Pirmide da Automao Industrial Sistemas de
Automao Balanceada (BAS) Nvel de Automao em Linhas de Montagem
AUTOMAO EM MONTAGEM DE CARROCERIAS AUTOMOTIVAS ROBOTIZADAS
1 3 4 5 7 11 13 13 16 16 17 19 20 24 27 31 33 34 35 37 37 42 45
47 47 48 50 51 53 55 57 59
8
6.1 6.2 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 7 7.1 7.1.1 7.1.2 7.2 7.3 7.4 7.4.1
7.4.2 8 8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.2 8.2.1 8.2.2 8.3 8.4 8.5 8.6 9 9.1
9.2 9.3 9.3.1 9.3.2 10 11
Definies de Robs Industriais Aplicaes de Robs Industriais
Sistemas Flexveis de Produo e Robtica Processo de Soldagem
Robotizada Soldagem com eletrodo slido contnuo sob proteo gasosa
Aplicao, Escolha e Aquisio de Robs Para Soldagem A arquitetura de
automao de clulas de montagem de carrocerias automotivas CLP
(Controlador lgico programvel) A Arquitetura de um CLP
Funcionamento de um CLP A Interface Homem-Mquina IHM Tecnologia de
Rede de Comunicao para Automao Modelagem e Implementao de um
Sistema de Controle Modelagem e Desenvolvimento de um Software de
Programao A Simulao como Ferramenta de Modelagem e Validao do
Software de Programao A NORMA IEC 61131-3 COMENTADA Elementos
Comuns Tipagem de Dados Variveis Configurao, Recursos e Tarefas
Unidades de Organizao de Programas Funes Blocos Funcionais FBs
Programas Linguagens de Programao Os benefcios proporcionados pela
norma IEC 61131-3. A contribuio da PLCopen para a norma IEC
61131-3. ESTUDO DE CASO Descrio do Processo Arquitetura de Controle
da Clula Arquitetura de Software Estrutura Principal em SFC
(seqencial flow chart) Blocos Funcionais (funtion bocks) CONCLUSO
Referncias Bibliogrficas
59 63 65 69 70 72 76 76 77 81 83 87 94 97 99 101 104 104 104 105
107 107 107 109 112 115 117 119 121 123 124 124 126 128 129
9
LISTA DE TABELASTabela 3.1 5.1. 6.1 6.2 7.1.a 7.1.b 8.1 Descrio
Controle automtico SED e SVC Sistemas de produo centrado na
tecnologia e no Homem Evoluo dos estoques operacionais Componentes
bsicos de um sistema para soldagem robotizada Caractersticas Fsicas
Caractersticas Fsicas Divises da norma IEC 61131 Pgina 29 56 66 71
91 92 101
10
LISTA DE FIGURASFigura 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 3.1 3.2
3.3 3.4. 3.5 4.1 4.2 5.1 6.1 6.2 6.3 6.4 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6
7.7 7.8 7.9 7.10 7.11 7.12 7.13 7.14 7.15 8.1 Descrio Seqncia de
montagem dos subconjuntos para a formao de carroceria automotiva
Classificao dos processos de juno Tcnicas de juno de carrocerias
automotivas Tendncias nos processos de juno Cenrio dos pilares base
para o projeto da junta soldada Curva representativa do custo X
processos de conformao Sistema de Coordenada Global Exemplo de
aplicao do Sistema de Coordenadas RPS Modelagem de controle de
entradas de um sistema Contnuo no tempo e discreto no tempo
Comparao entre trilha de amostragem de um SVC e um SED rvore de
classificao de sistemas Diagrama conceitual bsico dos SVC e SED
Classificao de um sistema de produo discreto pelo volume de produo
Evoluo dos Sistemas de Produo ao longo do tempo Pirmide da automao
Rob com seis graus de liberdade O investimento com a robotizao
encontra maiores vantagens Anlise do envelope de um rob de seis
eixos Fatores relevantes para projeto de automao Arquitetura que
representa o modelo em CLP Vista frontal de um CLP e seus
principais componentes Execuo cclica de um programa num CLP. Na
tela principal, estao e principais informaes de diagnstico Tela de
movimentao para movimentos em manual e verificao da posio atual dos
dispositivos. Conexo atravs da rede entre o CLP e mdulos de entrada
e sada Standard Fieldbus e as oito famlias de redes Tipos de redes
de campo Faixa de atuao nas redes de campo Arquitetura de automao
de uma estao automtica de solda Ciclo de vida de um sistema de
controle Ciclo de Prototipagem Reduzindo o tempo para sanar as
falhas A utilizao do software Ferramenta de modelagem e simulao do
programa de CLP O Histrico da Norma IEC 61131-3 pgina 6 7 8 9 11 12
13 15 17 19 22 26 30 34 38 54 62 68 72 75 78 80 82 85 86 88 89 90
89 93 94 95 96 99 100 102
11
8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7
Modelo de software, conforme definido pela norma Exemplo bsico
de declarao de um bloco de funes Exemplo de seqncia de funes
Exemplo de seqncia de funes alternativas As quatro linguagens
descrevem a mesma lgica de programa Exemplo de aplicao em texto
estruturado ST Layout da clula denominada operao 100 Dispositivos
de fixao e controle de dimensional RPS Arquitetura de hardware
Estrutura principal em SFC Bloco de funo FB ROB_FOL. Bloco de funo
FB ROB MIG/MAG Bloco de funo FB ROB KLEBEN
105 108 109 111 112 113 121 122 123 125 116 117 117
12
1
1.
INTRODUO
A competitividade trouxe indstria automobilstica nacional uma
crescente busca por produtividade, qualidade e flexibilidade
elevada para satisfazer a uma demanda crescente do mercado com
produtos heterogneos e diversificados. Isso gerou investimentos em
sistemas de produo automatizados de processos criando,
inevitavelmente, complexidade das instalaes, exigindo cada vez mais
capacitao intelectual e operacional dos profissionais que planejam
o controle e a automao da linha de produo. Neste contexto h uma
necessidade de sistemas de produo flexveis e de carter
antropocntrico e, ainda, com ferramentas de diagnstico de fcil
interao com os operadores das clulas produtivas. A reduo dos custos
dos investimentos em automao para viabilizar projetos que
necessitam quase engenheiros que tentam atender a essa necessidade.
A automao trouxe indstria automotiva, as vantagens previstas por
Castrucci e Moraes, (2001): 1. Repetibilidade e maior qualidade na
produo; 2. Realizao de tarefas impossveis ou agressivas ao homem;
3. Rapidez de resposta ao atendimento da produo; 4. Reduo dos
custos de produo; 5. Restabelecimento mais rpido do sistema
produtivo; 6. Reduo da rea de fabricao; 7. Possibilidade de
introduo de sistemas produtivos interligados. Porm, projetos de
controle de clulas automticas de produo de carrocerias demandam uma
abordagem de controle baseado em sistemas de eventos discretos
(SED) e de modelagem de controladores lgicos programveis (CLP).
Esta integralmente de importao de tecnologias, tambm tem sido um
desafio para projetistas e
2
necessidade d-se principalmente pela caracterstica seqencial do
processo de movimentao e acondicionamento de peas e da juno das
partes das carrocerias. A IEC 61131 vem tratando, ao longo dos
anos, da normalizao dos controladores programveis com o objetivo de
trazer aos diversos fabricantes de controladores, diretrizes para o
desenvolvimento de produtos com plataformas abertas. A terceira
parte desta norma (IEC 61131-3) merece notrio destaque, pois,
apresenta as diferentes caractersticas de cada linguagem. A
importncia do entendimento desta norma neste trabalho tem carter
didtico para a compreenso da complexidade da programao de sistemas
automticos e a importncia de investimentos na preparao de
profissionais capacitados para a escolha da linguagem de programao
mais adequada para a execuo de projetos de arquitetura de softwares
com qualidade. Apesar da crescente evoluo de outras arquiteturas de
hardware para soluo de sistemas de controle discreto, os
controladores programveis so as mais confiveis, devido robustez e
estabilidade em ambientes industriais. O avano tecnolgico
proporcionado pelos fabricantes de CLP trouxe a possibilidade de
operar instalaes complexas (com uma grande quantidade de entradas e
sadas e de interfaces com outros sistemas) em um nico controlador
exigindo em sua programao uma arquitetura de fcil manuteno e
possibilidade de alteraes e otimizaes do processo controlado.
Atualmente, os modelos utilizados para representar tais solues
(mquinas de estados hierrquicas, Redes de Petri, ou outras) diferem
muito substancialmente das metodologias e linguagens de programao
mais comuns dos CLPs (diagramas de contactos, lista de instrues,
etc.). Estas, porm, esto estabelecidas em processos de modelagem
razoavelmente limitados e, por isso, evitados no contexto do
controle moderno de sistemas de eventos discretos. A normalizao do
SFC (Sequential Flow Chart) prevista na IEC (International
Electrotechnical Committee), como linguagem de modelagem de solues
de controle seqencial uma tentativa de facilitar esta tarefa. O SFC
descreve graficamente o comportamento seqencial de um programa de
controle. O SFC estrutura a
3
organizao interna do programa e ajuda a decompor o problema de
controle em partes gerenciveis, enquanto mantm a sua viso geral.
1.1 Objetivos O que se deseja com esse trabalho apresentar uma
aplicao prtica da arquitetura de automao composta por CLPs e IHM e
redes de controle . Esta arquitetura servir como padro em clulas
automticas de montagem de carrocerias automotivas desenvolvidas nos
conceitos modernos de sistemas de produo, e utilizando ao mximo a
disponibilidade dos equipamentos, atravs de um eficiente sistema de
diagnstico de falhas e interface amigvel com o operador. Outra
principal vantagem da soluo proposta a criao de uma biblioteca de
blocos de funo (FBs) e molduras (Templates) para servir de projeto
nas futuras implantaes de programao em novas clulas de montagem de
carrocerias automotivas. Espera-se, com isso, ganho qualitativo no
software final assim como ganho financeiro ao projeto. Observando
os problemas intrnsecos modelagem e ao projeto de software para
controle de sistemas de eventos discretos (SED), este trabalho
ainda prope o SFC (Sequential Flow Chart) e FB (Funtion Blocks)
como as mais adequadas ferramentas de estruturao e organizao
interna do programa para a aplicao proposta.
4
1.2 Organizao do texto O captulo 2 refere-se ao Processo de
montagem de carrocerias automotivas. O captulo 3 apresenta uma
Introduo Terica ao conceito de sistemas de eventos discretos. O
captulo 4 faz uma Introduo aos Sistemas de Manufatura e o captulo
5, aos Sistemas de Manufatura Automatizados. J o captulo 6, aborda
a Automao em Montagem de Carrocerias Automotivas Robotizadas. O
captulo 7 descreve A Arquitetura de Automao de Clulas de Montagem
de Carrocerias Automotivas. O captulo 8 apresenta a Norma
IEC61131-3 Comentada, no captulo 9, o Estudo de Caso e, finalmente,
a Concluso no captulo 10.
5
2
PROCESSO DE MONTAGEM DE CARROCERIAS AUTOMOTIVAS
O processo de manufatura automotiva pode ser subdividido em
estamparia (Press Shop), armao de carrocerias (Body Shop), pintura
(Paint Shop) e montagem final (Final Assembly). A estamparia
momento em que so estampadas as peas unitrias. Na pintura
encontram-se os processos de tratamento de superfcie (fosfatizao,
vedao e pintura). Durante a montagem final so agregados todos os
itens de acabamento final do produto (motor, bancos, vidros, rodas
etc.). Em um processo de armao ou montagem de uma carroceria
automotiva, as peas unitrias metlicas so posicionadas em
dispositivos e soldadas entre si formando subconjuntos (ex.:
longarinas, painis dianteiro e traseiro, reforos das laterais,
painel interno das portas, etc.). Por sua vez, os subconjuntos so
soldados formando conjuntos (ex.: assoalho, laterais, portas) e
esses por sua vez formam a carroceria completa (Body in white),
vide Fig 2.1. A juno ou joining Como: A ligao permanente ou uma
colocao em contato de duas ou mais peas com uma determinada forma
geomtrica ou at mesmo de peas com material sem forma definida. O
termo juno abrange todos os processos aplicados montagem de
carrocerias e no se resume soldagem. Esse termo agrupa com a solda
outros processos, como por exemplo, o uso de adesivos, grafagem,
clinching (solda a frio) etc.
6
Figura 2.1. Seqncia de montagem dos subconjuntos para a formao
de carroceria automotiva
7
2.1
Classificao dos Processos de Juno
Devido complexidade de materiais de diferentes tipos e suas
possveis combinaes, empregado nas peas a serem submetidas a
processos de juno, torna-se interessante proceder a uma classificao
preliminar destes processos. Na figura 2.2 tem-se a classificao das
junes a partir dos processos de fabricao mecnica.
Figura 2.2 : Classificao dos processos de juno. Atualmente a
solda a ponto por resistncia a tecnologia de juno mais empregada na
montagem da carroceria e, apesar da ampliao do uso de outras
tecnologias, ainda amplamente usada na indstria automobilstica, em
virtude da simplicidade, fcil controle e menor investimento, com um
produto de qualidade e resistncia satisfatrias. A Figura 2.3 a-d
apresenta as principais tecnologias atuais de juno.
8
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 2.3 Tcnicas de juno de carrocerias automotivas (a) solda
sob presso por conformao; (b) solda sob presso resistiva com acesso
pelos dois lados; (c) solda sob presso resistiva com acesso por
apenas um dos lados e (d) solda a laser.
9
Considerando que uma carroceria atual de um automvel possui
cerca de 4500 pontos de solda, alguns metros de solda MIG/MAG e em
alguns metros de cordes ou pontos LASER. A Figura 2.4 mostra as
tendncias no uso das diversas tcnicas de juno de carrocerias no
decorrer das ltimas dcadas. Pode ser visto uma diminuio da solda
ponto por resistncia e um aumento no uso de outras tecnologias como
a juno por conformao (clinching) e solda LASER.
Figura 2.4 - Tendncias nos processos de juno em carrocerias
automotivas produzidas em srie, sem considerar peculiaridades
especiais de construo tais como tipo de carrocerias: estrutura
monobloco em ao, space-frame em liga de alumnio ou peas com concepo
multi-material (IWU, 2003).
Importncia Relativa, [%]
10
Constata-se que o uso da solda a laser - Figura 2.3d - vem
aumentando. Empresas j manufaturam produtos com cerca de 20 a 30
metros de solda por carroceria. A Figura 2.4 permite observar que a
solda a laser tambm vem substituindo a solda MIG/MAG e por solda
ponto resistiva (IWU, 2003).
Uma das vantagens da solda a laser o fato dela no necessitar
acesso pelos dois lados da pea, o que implica na diminuio do nmero
de reforos da carroceria para obter a mesma resistncia. J que as
peas no possuem aberturas ou furos para o acesso da mquina de
solda, diminuindo-se o nmero de peas tem-se, ento, a diminuio do
peso da carroceria. A resistncia e o modo de falhas de um ponto de
solda so caracterizados como funes principalmente da espessura das
chapas, resistncia mecnica do metal, dimetro do ponto aplicado e do
modo de aplicao das cargas sobre esse ponto. Observa-se que o uso
da solda a laser - Figura 2.3d - vem aumentando. Empresas j
manufaturam produtos com cerca de 20 a 30 metros de solda por
carroceria. A figura 2.4 permite observar que a solda a laser tambm
vem substituindo a solda MIG/MAG, e confirma algumas empresas
considerando a solda a laser substituindo a solda a ponto
resistiva, como uma evoluo difcil de ser evitada (IWU, 2003). Uma
das vantagens da solda a laser o fato dela no necessitar acesso
pelos dois lados da pea, o que implica na diminuio do nmero de
reforos da carroceria para uma mesma resistncia, j que as peas no
possuem aberturas ou furos para o acesso da mquina de solda;
diminuindo-se o nmero de peas tem-se a diminuio do peso da
carroceria. A resistncia e o modo de falhas de um ponto de solda so
caracterizados como funes principalmente da espessura das chapas,
resistncia mecnica do metal, dimetro do ponto aplicado e do modo de
aplicao das cargas sobre esse ponto.
11
2.2
Cenrio dos Pilares Bsicos Para o Projeto da Junta de Solda.
Em resumo um projeto de uma junta soldada pode ser definido como
o estudo da montagem de dois ou mais componentes que so unidos por
solda, segundo a RWMA (The Resistance Welding Manufacturing
Alliance -1989). O objetivo bsico do projeto garantir que ela
atenda os requisitos de funcionalidade, confiabilidade e segurana
requeridas, e seja capaz de ser fabricada, inspecionada,
transportada e posta em trabalho com os menores custos possveis. O
cenrio em que deve ser desenvolvido o projeto da junta soldada
mostrado na Figura 2.5. Devero ser observados sempre os requisitos
dos materiais do projeto da montagem e do processo de soldagem.
Figura 2.5: Cenrio dos pilares base para o projeto da junta
soldada (BATALHA, G., notas de aula). Finalmente, projeto e
processo devem ser feitos de modo que no sejam necessrias solues de
um alto custo varivel para o veculo. Por isso deve sempre ser
levado em considerao o custo e a vantagem competitiva proporcionada
pela tecnologia no processo de juno. Na Figura 2.6 tem-se um
comparativo do custo relacionado aos processos de conformao e juno
na montagem de carrocerias automotivas.
12
Figura 2.6-Curva representativa do custo vs. processos de
conformao e juno na montagem de carrocerias automotivas (STANDRING,
2004).
13
2.3 2.3.1
Controle de dimensional e geometria no processo de montagem
Conceito RPS (Sistema de pontos de referncia)
O Conceito RPS (Reference Points System), descrito na Norma VW
010 55, tem por finalidade garantir que as referncias dimensionais
sejam idnticas em todas as fases do processo de desenvolvimento do
produto e montagem. Atravs da restrio dos 6 graus de liberdade, que
so as possibilidades de movimento de um corpo no espao (3,2,1),
tanto para o dimensionamento, quanto para a fabricao e controle de
peas unitrias e conjuntos, melhorando assim a qualidade de nossos
produtos. Esse sistema baseado no Sistema de Coordenadas Globais do
veculo, descrito na Norma VW 010 52, cuja origem est localizada no
centro do eixo dianteiro, definindo a posio de todos os pontos de
todas as peas e componentes do veculo.
Z
Z
Y
Y
Z
X
Figura 2.7-Sistema de coordenada global.
14
Os Pontos de Referncia RPS so definidos por equipes de
Engenharia Simultnea (SET - Simultaneous Enginnering Team),
compostos por representantes das reas envolvidas com a qualidade do
produto (Engenharia do Produto, Engenharia de Manufatura, Qualidade
Assegurada, Manufatura e sub-fornecedores). A identificao dos
pontos segue um padro de denominao e representao no desenho, que
permite que suas funes sejam identificadas facilmente para
determinada pea: Identificao do Ponto de Apoio: Indica qual o tipo
de ponto de apoio do RPS como um apoio principal ou secundrio, e
quais os sentidos de fixao que ele assegura para a pea. Tipos de
Apoio Principal: So representados com letras maisculas e,
normalmente, suas tolerncias de posio so iguais a 0 (zero), o que
quer dizer que so pontos de partida para o posicionamento espacial
da pea: H - Furo (hole); F - Superfcie (face); T - Ponto Terico;
Tipos de Apoio Secundrio: So representados com letras minsculas, e
suas tolerncias de posio apresentam valores prximos de 0 (zero),
aproximadamente 0,2 mm. So aplicados em peas de grandes dimenses, e
/ ou que apresentam regies flexveis. h - Furo (hole) f - Superfcie
(face) t - Ponto Terico
15
Figura 2.8: Exemplo de aplicao do sistema de coordenadas
RPS.
16
3
INTRODUO
TERICA
AO
CONCEITO
DE
EVENTOS
DISCRETOS 3.1 Conceitos gerais.
Controle um poder tecnolgico incalculvel para o aperfeioamento
de inmeros processos, seja em velocidade e preciso, seja em custo.
O controle o uso deliberado de medidas das sadas do sistema a fim
de melhorar o seu desempenho operacional, num esquema de
realimentao ou feedback em torno do sistema original (CASTRUCCI e
MORAES, 2001). Controle pode ser definido como uma ao planejada
para que aquilo que se considera objeto de controle interaja com o
processo, para, assim, atingir certos objetivos (MIYAGI, 1996). De
fato, a idia de sistema de controle realizar a performance de uma
particular funo. Para que a tal funo seja executada, o sistema
necessita ser controlado selecionando a entrada correta para
conseguir um comportamento desejado. Desta forma, pode-se entender
que a entrada de um sistema visto, frequentemente, como um sinal de
controle com o objetivo de obter um comportamento desejado
(CASSANDRAS, 1993). Conceitualmente, para um simples escalar,
pode-se representar este comportamento desejado como um sinal de
referncia r (t), e a entrada de controle para um sistema real como:
u( t )= ( r ( t ),t ) (3.1)
Este relacionamento refere-se lei de controle ou simplesmente
controle. Para o sistema, o papel do controlador para uma certa
funo r(t) selecionar u( t )= ( r ( t ),t ) para ser a funo de
entrada. Estendendo para o universo de vetores, em que mltiplas
entradas so especificadas, tm-se:
17
u( t )= ( r ( t ),t )
(3.2)
A Onde descreve a coluna vetorial onde as entradas so funes:b `
a c b ` a c
u 1 t = 1 r t ,t , A ,u n t = n r t ,tObtm-se, ento, o seguinte
modelo:
` a
` a
(3.3)
Figura 3.1. Modelagem de controle de entradas de um sistema.
3.1.1 Sistemas discretos no tempo. Muito embora o tempo seja uma
varivel contnua, possvel desenvolver modelos baseados em equaes
diferenciais que so, particularmente, atrativos do ponto de vista
matemtico para se obter um modelo discreto no tempo. Caso sejam
definidas em um sistema as variveis de entradas e as de sada em
intervalos de tempo apenas discretos, obtm-se como resultante um
sistema de tempo discreto, que, a partir desse ponto de vista, se
diferencia de um sistema contnuo no tempo. H vrias razes e
vantagens na utilizao deste tipo de modelo, das quais pode-se citar
(CASSANDRAS, 1993):
18
1. Qualquer controlador moderno baseado em microprocessadores
possui internamente um temporizador pulsante clock e, por sua vez,
as variveis so processadas apenas nesses instantes de tempo
correspondentes aos pulsos do clock. 2. Vrias equaes diferenciais
teis para os modelos contnuos no tempo podem ser resolvidas apenas
com a utilizao de computadores digitais, que geram solues que so
atualmente verses discretas no tempo de funes contnuas no tempo. 3.
Tcnicas de controle digital, as quais so baseadas em modelo
discretos no tempo, e que oferecem considervel flexibilidade,
velocidade e baixo custo. Isso tudo devido aos avanos da eletrnica
digital e da tecnologia computacional. Nos modelos discretos no
tempo, a linha do tempo representada como uma seqncia de intervalos
t0 < t1 < ... < tk < .... Desta forma, supe-se que
qualquer intervalo possui o mesmo tamanho T, o qual, t k + 1 - t k
= T para qualquer k = 0, 1,2, .... A constante T muitas vezes
definida como o intervalo de amostragem. A varivel real t ento
substituda por uma varivel inteira k, a qual incrementada de um
nmero de intervalos constantes a partir de um ponto de referncia,
normalmente k = 0. A Figura 3.2 ilustra como um sinal contnuo no
tempo x(t) pode ser fragmentado em intervalos discretos no tempo
x(k), em um perodo de amostragem T. importante notar que a
discretizao do tempo no implica na discretizao do espao de estado.
Na Figura 3.2 observa-se que a trilha de amostragem do tempo
discreto constante em um determinado perodo, porm o estado (ou a
amplitude) pode tomar qualquer valor em R(reais) assim como no caso
contnuo no tempo.
19
Figura 3.2. Contnuo no tempo e discreto no tempo (representado
pela trilha de amostragem). 3.1.2 Sistemas de eventos discretos.
Quando o espao do estado de um sistema naturalmente descrito por um
conjunto discreto com a transio dos estados so apenas observados em
pontos discretos no tempo, pode-se ento associar estas transies de
estados como eventos e definir um SISTEMA DE EVENTOS DISCRETOS.
(CASSANDRAS, 1993): A partir deste ponto possvel comear o estudo
deste tipo de sistema identificando suas principais caractersticas.
Desta forma pode-se definir evento como: uma ocorrncia instantnea
causando transies de um valor de estado discreto para outro,
pode-se exemplificar um evento como uma ao especfica: o ligar de um
boto. Ou como um resultado de vrias condies, o rob finalizou sua
tarefa, ou o fludo de um tanque atingiu seu limite mximo.
A definido ento um evento como e , quando considerado um sistema
afetado por A diferentes tipos de eventos e um conjunto de eventos
como E .
20
Diferencia-se um sistema tambm pela forma como acionado, seja
ele pelo tempo ou por evento ou por eventos que pode-se
diferenci-los a seguir (CASSANDRAS, 1993): Acionado pelo tempo:
Neste sistema as transies so sincronizadas por um temporizador
pulsante clock: A cada pulso de tempo, um evento pode ou no
ocorrer, e o seu estado muda. Assim, o processo se repete. O clock
isoladamente responsvel por qualquer transio do estado de uma
varivel.
A Acionado por evento: Neste caso todo o evento e , define um
processo
distinto atravs do qual determinado o instante de tempo da
ocorrncia.. As transies de estado so as resultantes de uma combinao
de assncronos e concorrentes processos de eventos. Alm disso, esses
eventos so necessariamente independentes uns dos outros. 3.1.3
Propriedades e caractersticas de um sistema de eventos discretos
(SED). A partir dessas classificaes, pode-se definir as
propriedades e caractersticas de um sistema de eventos discretos.
Para isso, oportuno diferenci-lo de um sistema de variveis dinmicas
e contnuas (SVDC). Como foi mencionado, o maior trunfo da
engenharia de controle at a data atual, so os modelos baseados em
equaes diferenciais. Porm, para utilizar-se destes modelos,
necessrio que o sistema satisfaa a duas propriedades (CASSANDRAS,
1993): 1) Contnuos no tempo. 2) O mecanismo de transio de estados
acionado pelo tempo. Em contraste um sistema dinmico de eventos
discretos, ou resumidamente sistemas de eventos discretos (SED),
devem satisfazer as seguintes condies:
21
1) O espao de estados um conjunto discreto. 2) O mecanismo de
transio de estados acionado por eventos. Desta forma pode-se adotar
a seguinte definio: Um sistema eventos discreto (SED) um sistema de
estados discretos e acionados por eventos, isto , a evoluo dos
estados depende inteiramente de ocorrncias de assncronos eventos
discretos ao longo do tempo. Como observado na Figura 3.3, pode-se
citar as duas principais caracterstica que distingue um SED e um
SVDC:
22
Fig. 3.3. uma comparao entre trilha de amostragem de um SVC e um
SED.
Para o SVDC apresentado, o espao de estado X um conjunto
pertencente a R (reais), e x(t) a soluo da equao diferencial na
forma genrica x(t) = f(x(t), u(t), t), onde u(t) representa a
entrada. Para o SED, o espao do estado o conjunto S={s1, s2, s3,
s4, s5}. A trilha de amostragem pode somente saltar de um estado
para outro assim que um evento ocorre. Note que um evento pode
ocorrer, porm no causa uma transio de estado, como no caso de e3.
Desta forma no pode-se utilizar
23
nenhum mecanismo do tipo x(t) = f(x(t), u(t), t), que possa
especificar quais eventos iro interagir ao longo do tempo e como
essas ocorrncias podem ser determinadas (Cassandras, 1993).
24
3.2
Resumo da classificao dos sistemas de controle.
Para um melhor entendimento da classificao dos sistemas de
controle e, principalmente, para posicionar os sistemas de eventos
discretos, apresentado o seguinte resumo (CASSANDRAS, 1993):
Sistemas estticos e dinmicos: Em sistemas estticos a sada sempre
independente de valores passados da entrada. Em sistemas dinmicos a
sada depende do passado dos valores da entrada. O comportamento de
sistemas dinmicos pode ser descrito por equaes diferenciais..
Sistemas variveis e invariveis no tempo: O comportamento de
sistemas invariveis no tempo significa que ao aplicar uma entrada
especfica a um sistema sempre esperado que responda da mesma
maneira. Sistemas lineares e no-lineares: Um sistema linear
satisfaz a condio g(a1 u1 + a2 u2) = a1 g(u1) + a2 g(u2), onde o u1
e u2 so dois vetores de
A entrada, a1 e a2, so dois nmeros reais, e g a sada resultante.
Os sistemaslineares dinmicos invariveis no tempo tm sido estudados
detalhadamente na literatura da teoria de sistemas e controle.
Sistemas de estado contnuo e de estado discreto: Os sistemas de
estado contnuo, as variveis do estado podem admitir, geralmente,
qualquer valor real (ou complexo). Em sistemas de estado discreto
as variveis do estado so elementos de um conjunto discreto (por
exemplo, os inteiros no negativos). Sistemas acionados pelo tempo e
acionados por eventos: Em sistemas acionados pelo tempo o estado
muda continuamente enquanto o tempo muda. Em sistemas acionados por
evento, apenas a ocorrncia de eventos discretos gerados de forma
assncrona conduz a transies instantneas de estado, entre as
ocorrncias dos eventos o estado permanece no afetado.
25
Sistemas determinsticos e estocsticos. Um sistema torna-se
estocstico sempre que uma ou mais de suas variveis de sada uma
varivel aleatria. Neste caso, o estado do sistema transforma-se um
processo estocstico, e uma estrutura probabilstica requerida para
descrever o comportamento do sistema. Sistemas discretos no tempo e
contnuos no tempo. Um sistema dito contnuo no tempo quando todas as
entradas, estado, e as variveis de sada so definidas para todos os
valores possveis do tempo. Em um sistema discreto no tempo, uma ou
mais destas variveis esto definidas em pontos discretos no tempo,
geralmente como o resultado de um processo de amostragem.
Na Figura 3.4, pode-se apresentar como o foco de nosso estudo os
SISTEMAS DE EVENTOS DISCRETOS (SED) na rvore de classificao dos
sistemas de controle.
26
Fig. 3.4. rvore de classificao de sistemas (CASSANDRAS,
1993):
27
3.3 Conceito de controle automtico para Sistemas de variveis
contnuas (SVC) e eventos discretos (SED). Investimentos em novas
tecnologias, equipamentos, mquinas e sistemas de controle tm sido
os realizados para atender a tais exigncias, sendo que um meio
bastante efetivo para isso a introduo da automatizao. A base
tecnolgica para realizar a automao o controle automtico, que pode
ser dividido em duas grandes classes (MIYAGI, 1996).: De acordo com
SANTOS FILHO [1993], em sistemas produtivos h um complexo conjunto
de informaes qualitativas e quantitativas1. A nvel de controle
interno das mquinas, dispositivos e processos, envolvendo somente
variveis contnuas, realizase o controle quantitativo. Controle
quantitativo: Onde, o contedo dos comandos de controle possui uma
quantidade infinita de informaes, isto , informaes analgicas e/ou
informaes contnuas. Controle qualitativo: Nmero finito (muitas
vezes binrio) de informaes, isto informaes discretas e/ou informaes
digitais. O controle de SVC uma das tcnicas mais efetivas para a
implementao do controle quantitativo. Esta tcnica utilizada para
controlar sistemas que possam ser governados atravs de valores
mensurveis como a velocidade de rotao de um servomecanismo ou o
volume de lquido em um tanque. No controle de SVC o valor real
(atual) da varivel constantemente comparado ao valor de referncia,
isso para que a varivel fsica (velocidade, torque, temperatura,
fora, posio, campo eletromagntico, etc.) mantenha ou atinja o valor
desejado.
1
As informaes quantitativas referem-se ao estado de variveis
contnuas que modelam o comportamento dinmico de SVCs. As informaes
qualitativas referem-se aos estados discretos que modelam o
comportamento dinmico de SEDs.
28
A teoria de controle de SVC bem sistematizada e muito aplicada,
pois muitos objetos de controle podem ser considerados de natureza
contnua e linear ou podem ser linearizadas. No controle de SVC
vrios conceitos e teorias foram desenvolvidos e validados, como por
exemplo: A funo de transferncia de objeto de controle com uma
entrada e uma sada assim como a equao dos espaos de estados que
fornece a base terica para o tratamento indistinto de sistemas com
uma varivel ou muitas variveis; etc. (MIYAGI, 1996). Por outro
lado, no caso do controle qualitativo, a tcnica mais representativa
de sua implementao o controle de SED. Nesta tcnica, considera-se
que os vrios elementos (estruturais) que compem o objeto de
controle podem assumir um nmero infinito de estados (MIYAGI, 1996).
Por exemplo: ligar/desligar o motor da bomba, abrir/fechar a vlvula
de ar, avanar/recuar o carro, subir/descer o brao, acionar/cortar a
alimentao, etc. o controle de variveis descontnuas no tempo e no
espao (e que normalmente considera-se que assumam valores
discretos). Os vrios elementos como o motor da bomba, vlvula do
tanque, volume do lquido, etc, que compe o objeto de controle e os
seus respectivos estados finitos (ligado/desligado, aberto/fechado,
mximo/intermedirio/mnimo), podem ser todos representados por um
conjunto limitado de estados. O conjunto vlido dos estados dos
vrios elementos estruturais do objeto de controle chamado de passo
step do processo de controle. Portanto, neste caso, abstrair e
modelar o objeto de controle significa, definir como os estados dos
elementos estruturais do objeto de controle devem evoluir em funo
das entradas de atuao e como combinar os estados destes elementos
para resultar nos passos desejados como sada. Na tabela 3.1 abaixo,
observa-se um quadro comparativo das duas principais classes de
controle automtico.
29
Tabela 3.1: Controle automtico SED e SVC. Controle SVC Em geral,
o objeto de controle trabalha com variveis contnuas, isto ,
manipula informaes contnuas; Efetivo para o controle de variveis
fsicas como os fludos na indstria de processos; Envolve conceitos
de controle com realimentao negativa de controle de malha fechada;
Controle SED Pode ser considerado um tipo de controle quantitativo;
A estrutura de controle geralmente em malha fechada. Em geral, o
objeto de controle trabalha com estados e eventos discretos, isto ,
manipula informaes discretas; Imprescindvel para o controle de
processos que ocorrem, por exemplo, na indstria mecnica; Envolve o
controle qualitativo e o processamento do comando de controle; A
estrutura de controle no necessariamente em malha fechada.
O Conceito de Sistemas de variveis contnuas (SVC) e variveis
discretas (SED) tem sua importncia no papel de controle industrial.
Porm, apesar da grande experincia acumulada nas aplicaes prticas, a
sistematizao e a base terica de SED ainda so muito incipientes
quando comparadas com SVC. Satisfazer certos objetivos, no caso do
controle SVC, geralmente corresponde a igualar o valor de certa
varivel fsica (varivel de controle) a um valor de referncia. No
caso de controle SED, corresponde execuo de operaes, segundo um
procedimento pr-estabelecido. Simplifica-se ento os dois modelos de
sistemas de controle nos diagramas apresentados nas Figuras 3.5 a e
b.
30
(a) Sistemas de Controle SVC.
(b) Sistemas de Controle SED. Figura 3.5 - Diagrama conceitual
bsico dos sistemas de controle de SVC e SED Neste trabalho, devido
natureza do processo de controle de clulas automtica, abordaremos
os SED devido necessidade da interao e sincronismos dos diversos
elementos e tarefas presentes no processo de montagem.. Muito
embora a abordagem SVC ser sempre solicitada quando for necessrio
um estudo focado nas aplicaes do processo de soldagem por
exemplo.
31
4
INTRODUO AOS SISTEMAS DE MANUFATURA
Similarmente classificao dos sistemas de controle SVC e SED,
pode-se tambm realizar uma classificao de sistemas de manufatura
como: Sistemas de Produo Discreta: Quando os produtos finais so
compostos de partes discretas, isto , quando podem ser
quantificados numa forma discreta por um nmero real, como automveis
peas unitrias de carrocerias, motores. Como exemplo, podese citar o
processo de manufatura de automveis. Sistemas de Produo Contnua:
Quando o produto final no pode ser identificado individualmente,
isto , quando ele contado em parcelas fracionrias, como litros,
toneladas, metros. Como o caso das indstrias de processos em geral:
lquidos, laminados, refinarias. Em clulas de montagem de
carrocerias pode-se, ento, classificar como um sistema de produo
discreta ou simplesmente como sistemas de manufatura que por
definio so compostos por: a) Um sistema fsico; b) O layout de
manufatura, que representa a forma como os recursos fsicos so
distribudos no cho de fbrica e a conexo entre eles; c) Sistema de
gerenciamento, tambm conhecido como sistema de controle ou sistema
de tomada de deciso. (DiCESARE, 1993). Faz parte do sistema fsico o
conjunto de recursos que opera sobre a matria-prima e/ou sobre o
trabalho em processo, como mquinas, robs, clulas, sistemas de
transporte (transportadores, AGVs), operadores, dispositivos de
armazenagem, estaes de carga/descarga, estaes de controle de
qualidade.
32
Por outro lado, o sistema de gerenciamento aquele que se utiliza
do sistema fsico para executar o trabalho de forma a otimizar
alguns critrios como produtividade (que deve ser maximizada), nveis
de trabalho em processo (os quais tm que ser minimizados), tempo de
espera (que devem ser reduzidos a zero, se possvel). Sistema de
manufatura (ou sistema de produo discreta) definido por MOREIRA
(1993) como um conjunto de atividades e operaes necessrias para a
produo de produtos envolvendo os seguintes elementos: insumos, o
processo de transformao e os produtos fabricados. Uma diferena
marcante de todo sistema de produo discreta em relao aos sistemas
de produo contnua a identificao de gargalos, que so pontos no
processo produtivo onde so gerados estoques que excedem a produo
local. Devido flexibilidade, ao alto volume de produo e ao controle
de qualidade exigida atualmente nos sistemas produtivos, o
comportamento desses sistemas considerado de alta complexidade, j
que desenvolvem uma srie de atividades que so realizadas em forma
simultnea e concorrente. Alm disso, deve-se considerar em relao ao
produto final: a sua complexidade, sua diversidade, variao na
quantidade a ser produzida em funo da demanda e introduo de novos
produtos aos meios existentes. Assim, a complexidade inerente ser
tanto maior quanto mais complexos forem os produtos a serem
fabricados, quanto mais complexa for a estrutura de produo
vinculada a esses produtos e quanto mais limitadas forem as
liberdades de custos e prazos para a realizao da manufatura (PORTO,
1990). Em resumo, pode-se dizer que o objetivo dos sistemas de
manufatura agregar partes para compor diversos produtos, os quais
precisam seguir uma determinada seqncia de operaes (roteiro de
produo), sendo que cada operao pode ser realizada por uma ou mais
mquinas. A forma como sero resolvidos os problemas referentes ao
planejamento e programao da produo ir determinar a eficincia do
sistema de manufatura como um todo. E em ambientes flexveis de
produo, como o caso dos sistemas job shop em geral, objeto do
presente trabalho.
33
4.1
Classificao dos Sistemas de Produo
Existem vrias formas de classificar os sistemas produtivos
(MOREIRA, 1993; PAPADOPOULOS, 1993; TUBINO, 1997). Dependendo da
natureza intrnseca do material a ser transformado e a dinmica do
fluxo do produto atravs da fbrica (por tipo de operaes), os
sistemas de produo podem ser classificados em: sistemas discretos e
contnuos. Sistemas discretos de produo ou sistemas de manufatura,
objeto deste trabalho, so sistemas que podem ser classificados: a)
Pelo tipo do processo de transformao; b) Pelo volume de produo. No
primeiro caso, dois tipos de processos de transformao so
identificados: a) Processos de montagem (assembly), onde o produto
final formado a partir de diversos componentes (montagem de
carrocerias automotivas); b) Processo de transformao propriamente
dito (non-assembly), onde o produto final resultado de um ou de
vrios processos de transformao que sofre a matria prima como por
exemplo a fresagem, e o torneamento de peas. O segundo tipo de
classificao o mais conhecido e divulgado na literatura. Dentro
desta classificao existem trs categorias, que so mostradas na
figura 4.1.
34
Sistemas de ManufaturaSistemas de Produo em massa Sistemas de
Produo Intermitente Lotes Encomendas
Figura 4.1 Classificao de um sistema de produo discreto pelo
volume de produo. 4.1.1 Sistemas de Produo em Massa
Sistemas de produo em massa so utilizados geralmente para
produzir itens altamente padronizados com demanda estvel. Neste
tipo de sistemas, geralmente, os produtos fluem de um posto de
trabalho para outro numa seqncia prevista (gerada pelo mesmo
roteiro de fabricao para todos os produtos), sendo que as operaes
realizadas nos postos de trabalho so sempre repetitivas. Em geral,
linhas de montagem so exemplos tpicos deste tipo de sistema, como a
manufatura de automveis e eletrodomsticos. Alm das caractersticas
mostradas na figura 4.2, pode-se citar ainda: a) Obteno de altos
ndices de produo devido produo em grande escala; b) Os produtos
diferem apenas em termos de montagem final; c) Baixos custos de
produo devido a economias de escala; d) Baixos tempos de
processamento improdutivo; e) Sistemas balanceados; f) Grau de
diferenciao relativamente pequeno (produo de poucos modelos);
35
g) Sistemas altamente eficientes e pouco ou nada flexveis; h) O
equipamento geralmente dedicado manufatura de um nico tipo de
produto. Este tipo de sistema utilizado, geralmente, por empresas
que procuram alta eficincia e ganhos por economias de escala para
se manterem competitivos no mercado. Sistemas de produo em massa
costumam ser divididos em linhas de transferncia e linhas de produo
(ver figura 4.2). a) Linhas de transferncia so sistemas altamente
automatizados e inflexveis
(o que limita o nmero de produtos a serem fabricados), onde a
transferncia dos produtos de uma estao de trabalho para outra
realizada em forma sncrona, isto , em forma simultnea. Neste tipo
de sistema, os tempos das operaes so determinsticos, as estaes de
trabalho so totalmente automatizadas e o sistema rigorosamente
balanceado. b) Linhas de produo so sistemas onde a transferncia dos
produtos de uma
estao de trabalho para outra feita de forma assncrona, isto ,
dentro da linha de produo os produtos se movimentam
independentemente um do outro. Este fato permite incorporar estaes
de trabalho operadas manualmente com variaes no ciclo produtivo.
Portanto, as linhas de produo no precisam ser totalmente
balanceadas. 4.1.2 Sistemas de Produo em Lotes
O que diferencia este tipo de sistema da produo em massa a sua
flexibilidade, ou seja, a capacidade de produzir um grande nmero de
produtos de volume mdio do mesmo item ou produto (fabricao
intermitente de produtos em quantidades fixas ou lotes). Os lotes
de produo podem ser produzidos apenas uma vez, ou a intervalos
regulares de tempo.
36
Neste tipo de sistemas, o produto flui de forma irregular de um
centro de trabalho para outro sendo os equipamentos utilizados para
este tipo de produo de propsito geral, mas projetados para
trabalhar com altos ndices de produo. Estes tipos de equipamentos
permitem grande facilidade para realizar mudanas tanto no produto
como no volume de produo, o que se reflete numa perda de eficincia
se comparado com os sistemas de produo em massa. Assim, este tipo
de sistemas apresenta maior flexibilidade diante da produo em
massa, mas perde no volume de produo. Conforme mostra a Figura 4.2,
dois tipos de sistemas podem ser considerados como pertencentes
produo em lotes: Sistemas Flexveis de Manufatura (FMS ); Sistemas
de Montagem Flexveis (FAS ). Conforme mostra a Figura 4.2. Sistemas
de Montagem Flexveis (DONATH and GRAVES, 1989) so sistemas que
consistem de um conjunto de produtos cada qual com um volume
especifico de montagem e um nmero fixo de clulas. FAS so
caracterizados principalmente por possurem linhas de montagem no
balanceadas ou assncronas, isto implica no fato do ndice de produo
no ser fixo (os tempos de processamento das operaes variam de uma
estao para outra) ou o ndice de produo fixo, mas no necessariamente
o mesmo ndice para todas as estaes de trabalho (CHETTY and
GNANASEKARAN, 1996). Nos FAS, as estaes de trabalho so separadas
uma da outra e trabalham a ndices diferentes daquelas de uma linha
de montagem convencional. O fato das estaes de trabalho ficarem
separadas faz com que as tarefas (jobs) permaneam nas estaes at que
o trabalho seja totalmente completado. Nos FAS, os tempos de
processamento diferem de uma estao para outra, o que pode resultar
em variaes aleatrias nos ndices de trabalho, performance das
mquinas. Uma outra caracterstica importante dos FAS a sua
flexibilidade de operao, isto , os trabalhos podem ser
direcionados
37
para qualquer clula de trabalho capaz de realizar uma mesma
operao, e, em casos de reparos ou quebras nas mquinas, os trabalhos
podem ser redirecionados. 4.1.3 Sistemas de Produo por Encomenda
(Jobbing Shop)
A principal caracterstica deste tipo de sistema o baixo volume
de produo, isto , os tamanhos dos lotes de manufatura so pequenos,
frequentemente um de cada tipo. Este tipo de produo conhecido tambm
como produo individual (MOREIRA, 1993) e comumente usado para
atender uma necessidade especfica dos clientes. Devido ao grande
nmero de tarefas realizadas neste tipo de sistema, os equipamentos
utilizados na produo devem ser flexveis para atender aos diversos
pedidos dos clientes. A produo de aeronaves, veculos espaciais,
mquinas, ferramentas e equipamentos especiais, prottipos de
produtos, so alguns exemplos de Sistemas de Produo por Encomenda.
Fabricaes sob encomenda ou lotes reduzidos, tais como produo de
sries especiais e/ou limitadas, apesar de serem produzidos em
poucas unidades e envolver a transformao de matria-prima em
produtos acabados, no podem ser identificados como jobbing shop,
pelo fato de no serem produzidos dentro de uma linha de produo
(GROOVER, 1987). Estes tipos de produo realizados em lugares
especficos (fora da fbrica) so conhecidos na literatura como
sistemas de produo por projeto (TUBINO, 1997), ou grandes projetos
sem repetio (MOREIRA, 1993). A figura 4.2, resume o perfil da
evoluo dos sistemas de produo ao longo do tempo.
38
Figura 4.2.- Evoluo dos Sistemas de Produo ao longo do tempo
4.1.4 Sistemas Flexveis de Manufatura. Os conceitos de FMS
manufatura (SFM ou FMS, do ingls Flexible Manufacturing System)
devem ser sempre considerados para direcionar os projetos de
automatizao da manufatura automotiva. Os FMS's representam o mais
alto grau de automao das clulas de manufatura. A presena dos
computadores e os meios eficazes de comunicao (como rede) e sua
constante evoluo nas ltimas dcadas, proporcionaram a implantao
deste conceito nos projetos de automao da manufatura. A tecnologia
da informao responsvel pelo controle dos equipamentos de produo,
utilizando-se de bancos de dados que so especialmente implementados
com dados de manufatura, aliados a sistemas de informaes para o
planejamento, seqenciamento e coordenao das operaes de forma
integrada. Desta forma pode-se definir, um FMS como uma combinao de
equipamentos, sistemas de controle e de comunicao integrados na
manufatura, para um
39
desempenho de alta produtividade, com capacidade de respostas de
modo rpido e econmico a mudanas no ambiente operacional. Uma das
definies mais citadas sobre FMS : um sistema que trata o
processamento de dados distribudos de alto nvel e o fluxo
automatizado de material utilizando mquinas controladas por
computador, clulas de montagem, robs industriais e mquinas da
inspeo. Segundo Rembold (1994), um sistema flexvel de manufatura
formado por mquinas com comando numrico computadorizado e so
interconectadas para transferncia de informaes (por um sistema de
rede de comunicaes) e de materiais (por um sistema de manipulao,
troca e, transporte de peas e ferramentas como: esteiras, veculos
transportadores). Um FMS se distingue de outras formas de
manufatura automatizada por considerar: A diversidade de produtos
que se deseja produzir (flexibilidade do produto); As
caractersticas adaptativas das mquinas (flexibilidade dos
equipamentos); E as propriedades de similaridade dos processos
(flexibilidade do processo).
Sistemas flexveis de representam o mago da automao fabril no cho
de fbrica, e foram desenvolvidos especialmente para manufaturar
produtos em quantidades de volume mdio (produo em lotes ou batch
manufacturing), oferecendo muito da eficincia das linhas de alto
volume de produo (produo em massa ou mass manufacturing) enquanto
mantm muito da flexibilidade achada no tradicional sistema de
produo por encomenda (produo jobbing shop) ou de baixo volume de
produo. Sistemas Flexveis de Manufatura, por outro lado, so
exemplos tpicos de sistema concorrente assncrono que tem a
capacidade de produzir simultaneamente diversos s produtos (ou
partes deles) usando vrios recursos. Para isso, os FMS utilizam
um
40
conjunto de estaes de trabalho flexveis (geralmente maquinas CNC
e robs) interconectadas por meio de um sistema de armazenagem e
transporte automtico controlado por um sistema de computador
integrado e um sistema de tomada de deciso (programador), para
decidir a cada momento (quando) o que deve ser feito (o que) e
sobre que mquina (onde). A flexibilidade dada a este tipo de
sistema permite-lhe ter a capacidade de escolher entre vrios
recursos para realizar uma determinada operao, assim como escolher
o roteiro que ir seguir o produto, alm de um significativo aumento
na produtividade. Para conseguir estas vantagens que oferece um
FMS, o programador organiza a produo, os programas, e sincroniza a
utilizao das mquinas para permitir a introduo de novos produtos,
evitando assim possveis paradas ou quebras de mquinas com o
objetivo de aumentar ao mximo a utilizao das mquinas. Dentre as
muitas vantagens que apresentam os FMS tem-se (GROOVER, 1987):
Aumenta o nvel de utilizao dos equipamentos; Melhora o nvel de
qualidade dos produtos; Reduz o custo de produo; Reduz o inventrio
de trabalho (produtos) em processo; Reduz o lead time de
manufatura; Reduz os tempos de setup; Permite controlar e rastrear
produtos ao longo da produo.
Problemas concernentes a FMSs podem ser divididos em dois tipos:
os que so referentes ao projeto e aqueles relacionados parte
operacional. Os referentes ao projeto esto mais relacionados com a
otimizao dos componentes do FMS e suas interconexes (KUSIAK,
1985).
41
a) Seleo de famlia de peas; b) Seleo de paletes e acessrios
(fixtures); c) Seleo dos sistemas de manuseio de material; d) Seleo
do sistema de informao que liga os vrios mdulos do FMS com o resto
dos mdulos da fbrica automatizada; e) Layout do FMS. Aqueles
referentes parte operacional esto mais relacionados com a utilizao
do FMS e incluem (SURI and WHITNWY, 1984): a) tamanho dos lotes; b)
balanceamento da carga de trabalho; c) planejamento de longo e mdio
prazo; d) programao e execuo; e) gerenciamento das ferramentas; f)
respostas a mudanas na demanda; g) reao a quebra/ruptura de
recursos. Considerando que os FMSs utilizam para o seu
funcionamento uma srie de recursos relacionados entre si (que
requerem um alto investimento), as decises envolvidas nas etapas de
projeto e operao so consideradas complexas. Portanto, importante
planejar, projetar e operar um FMS to eficientemente quanto
possvel. Sendo assim, faz-se necessrio selecionar alguns mtodos que
permitam a modelagem e anlise de tais sistemas e que tenham
capacidade de suportar a seleo de bons projetos e polticas
operacionais. Devido grande flexibilidade que apresentam os FMSs
que lhes permite escolher entre diversos recursos (mquinas
multifuncionais, robs), assim como diversos roteiros a serem
seguidos para a fabricao de produtos (permitindo assim um aumento
na produtividade). Estes sistemas impem um problema desafiador, que
se traduz na correta alocao dos recursos aos diversos processos
requeridos para
42
produzir uma gama de produtos, assim como a programao da seqncia
das atividades para se obter o melhor desempenho do sistema.
Sistemas Flexveis de Manufatura (FMS) podem ser considerados, em
muitos casos, como job shop automatizados (SABUNCUOGLU, 1992). As
principais diferenas so: a) Em um FMS as funes da maioria dos
trabalhadores so automatizadas e b) um FMS possui um sistema de
manuseio de material automatizado (freqentemente veculo guiado
automaticamente, robs e transportadores) que interliga as diversas
estaes de trabalho dentro do FMS. Como os FMSs so sistemas dinmicos
discretos, eles podem ser modelados e analisados por uma srie de
ferramentas tais como Filas de Espera, Cadeias de Markov, Programao
Matemtica, enquanto que a simulao freqentemente utilizada para
avaliar o desempenho do sistema. Na fase operacional dos FMSs, um
dos maiores problemas est relacionado com o planejamento e
programao da produo. 4.1.5 Flexibilidade nos Sistemas de
Manufatura
Flexibilidade um aspecto muito importante na tomada de decises
manufatureiras, A flexibilidade representa uma importante vantagem
competitiva para uma unidade de negcio. Pode ser definida como a
capacidade de um sistema de manufatura para responder rapidamente a
mudanas imprevistas (PAPADOPOULOS et ali., 1993) ou instabilidades
causadas pelo ambiente (GUPTA & GOYAL, 1989). Um sistema de
manufatura pode apresentar diversos tipos de flexibilidade que
podem ser classificados de vrias maneiras. Uma dessas maneiras a
anlise da flexibilidade partindo de uma perspectiva de curto e
longo prazo dada por Browne (GUPTA & GOYAl, 1989; BARAD &
SIPPER, 1988). Dentre os principais tipos de flexibilidade
tem-se:
43
a) Flexibilidade de mquina a capacidade de uma mquina para mudar
rapidamente da produo de um tipo de pea para outro. b)
Flexibilidade de processo est relacionada com a capacidade dos
sistemas de variar os passos necessrios para completar uma tarefa.
c) Flexibilidade de produto a capacidade para mudar rpida e
economicamente de um produto para outro. d) Flexibilidade de
roteiro a capacidade do sistema de mudar a seqncia de visitao de
mquinas (no caso da quebra de uma delas) e continuar produzindo
peas. Esta capacidade devida existncia de diversos roteiros de
produo ou ao fato de que uma operao pode ser realizada por mais de
uma mquina. e) Flexibilidade de Volume a capacidade do sistema
(FMS) operar economicamente em diversos volumes de produo. f)
Flexibilidade de Operao a capacidade para mudar a ordem das operaes
de produo na fabricao de um produto. g) Flexibilidade de Produo
referida capacidade para produzir rpida e economicamente qualquer
um dos produtos que um sistema flexvel de manufatura capaz de
produzir. Um considervel nmero de estudos foi desenvolvido sobre o
gerenciamento de FMS. O National Institute of Standards Tecnology
aponta trs principais aspectos de problemas abordados em FMS
(Goldhar, 1984), que so: a) Como a arquitetura de controle pode ser
simplificada; b) Por que FMSs so difceis de serem configurados; c)
O que pode ser feito para assegurar um alto nvel de qualidade nos
produtos.
44
Pode-se considerar que os dois primeiros itens merecem destaque
neste trabalho, uma vez que esto diretamente relacionados com o
projeto da arquitetura de automao. O controle e principalmente a
integrao do sistema so a chave para o desempenho de uma FMS. A
integrao traduz-se em automao com sistemas de rede de comunicao.
Mesmo com um equipamento de automao adequado, um FMS no pode
sobreviver com sua performance comprometida devido defasagem entre
o controle e a apropriada integrao de suas operaes (MAIMON, 1987).
Arquiteturas, mtodos e protocolos de rede so desenvolvidos para a
adequada integrao de FMS.
45
4.2 O Conceito TPS (Manufatura Enxuta). O conceito TPS (Sistema
Toyota de Produo), ou tambm conhecido como lean manufacturing, ou
manufatura enxuta, uma referncia mundial para sistemas de
manufatura, em diversos tipos de mercado. De forma resumida, a
manufatura enxuta uma filosofia que busca reduzir o tempo entre a
ordem de pedido do cliente de um processo de manufatura e a entrega
do produto, eliminando o desperdcio. O desperdcio qualquer coisa
que no adiciona o valor ao produto na perspectiva do cliente. O TPS
um sistema robusto, que responde adaptativamente a adversidades
internas, como problemas de matria prima ou variabilidade do
produto assim como fatores externos com variao da demanda
(Flinchbaugh, 1998). Podem-se resumir alguns princpios do TPS, que
incluem: a) Tempo de tacto e fluxo contnuo: as operaes devem
idealmente seguir o ritmo da demanda de cliente. O fluxo contnuo o
ideal, construindo uma parte de cada vez, que tende a minimizar o
desperdcio, com todas as operaes que seguem ao tempo do tacto. O
tempo de tacto o marca passo para o fluxo contnuo. b) Sistema
puxado: Esse sistema usado quando o fluxo contnuo no praticvel.
Neste caso um acmulo pequeno mantido entre as operaes e reposto
sempre pela operao anteriores o que consumido pelas operaes
posteriores. Conceitualmente, neste caso, a programao realizada
apenas na operao final, e toda a configurao antecedente reabastece
ento o que foi consumido por seu cliente imediato. c) Nivelamento
de produo: Em um ambiente com diversidade de produto e com uma
grande variao na demanda, difcil de administrar o atendimento, a no
ser com a utilizao de um grande inventrio grande de todos os
produtos ofertados.
46
O TPS trata essas variaes de demanda atravs da ferramenta
chamada heijunka, isto , demanda nivelando criando um pequeno
entoque intermedirio de e reabastecendo esse usando uma programao
nivelada. O TPS foi um marco to profundo na organizao industrial
quanto a criao do modelo de produo em massa do sculo 19 (VAGHEFI et
al. 2001). Apesar de ser um sistema concebido originalmente para
processos manuais de manufatura, o TPS prev que praticamente
impossvel uma converso de um sistema de um sistema de produo
convencional para um sistema enxuto sem um mnimo nvel de automao.
Na verdade para o TPS necessrio determinar o nvel ideal de automao.
Um nvel baixo de automao pode representar perda de eficincia, e por
sua vez um nvel elevado de automao injustificado acarreta uma queda
na confiabilidade devido complexidade e refletindo em menor domnio
sobre o sistema. O nvel de automao ideal aquele que a manuteno e a
operao no consomem recursos injustificveis devido a uma maior
complexidade e desperdcio de tempo (HARIS, 2001). Consideram-se
tambm as implicaes nas relaes de custo/beneficio e
produtividade/qualidade de um sistema automatizado. Tal diversidade
exige do processo uma grande versatilidade para lidar com
diferentes combinaes operacionais e funcionais de mquinas,
ferramentas e seqncias de processos.
47
5 5.1
SISTEMAS DE MANUFATURA AUTOMATIZADOS Breve histrico
A automao da manufatura, como o uso de mquinas CNCs, robs,
clulas flexveis de manufatura e o uso de CAD e CAM iniciou-se no
final dos anos 60 e sua difuso no final dos anos 70 nos pases
desenvolvidos devido aos seguintes fatores (TCHIJOV, 1989): 1.
Mudana do paradigma das empresas de produo em massa para produo
flexvel em lotes; 2. Aumento da importncia da qualidade nos itens
produzidos aliada a produo de peas de maior complexidade exigindo a
substituio do controle humano pelo controle do computador; 3.
Resistncia social dos trabalhadores dos pases desenvolvidos em
relao a tarefas montonas, trabalhos repetitivos, tpicos da produo
em massa. Isto gerou em pases, como o Japo, um aumento considervel
dos salrios para trabalhos com pouca qualificao. Porm, o fator
preponderante na deciso de compra de um equipamento para a
automatizao de uma tarefa foi, e ainda o custo da mo-de-obra versus
o valor do investimento na compra da mquina (ISHITANI and KAYA,
1989).
48
5.2
Vantagens da Automao na Manufatura
Erroneamente apontamos como a primeira e principal vantagem de
investimentos em automao a economia de custo de mo-de-obra
justificada pela busca por reduo nos custos da manufatura em muitos
pases, inclusive o Brasil. Atualmente, os projetos de automao visam
no somente obter economias de custos de mo-de-obra, mas tambm
melhor qualidade dos produtos, produo e entrega mais rpida, volume
da produo e reduo de custos, principalmente quando so empregados os
conceitos da automao flexvel. No podemos esquecer dos fatores de
segurana e insalubridade dos operadores expostos ao trabalho na
manufatura manual. Pode-se citar que os principais motivos para
investir em automao so: Aspectos operacionais: Reduo da ao do
homem; Aumento do uso do equipamento, sem aumento da mo-de-obra;
Minimiza os atrasos e interrupes provocados pelos operadores;
Eliminao de erros de digitao, papis etc.; Maior grau de eficincia e
flexibilidade.
Aspectos de processo: Reduo de perdas de materiais; Eliminao da
variabilidade nos processos; Mudar as formulaes, parmetros,
acrescentar ou alterar "receitas"; Reduo dos esforos de
validao.
Tendncias para a automao: Alinhar a estratgia da automao com as
estratgias dos negcios. Atingir objetivos de desempenho, tais
como:
49
Melhor qualidade; Maior velocidade; Melhor confiabilidade; Maior
flexibilidade; Menores custos.
50
5.3
O Impacto Social na Implantao da Manufatura Automatizada
Ainda que acarrete a substituio de mo-de-obra humana ou mesmo na
extino de uma funo realizada por um operador, a automao de uma
indstria indicada sempre quando se detecta a necessidade de torn-la
mais produtiva, mais confivel mais segura do ponto de vista de
preservar a integridade fsica do homem. Em TORII (1989) analisado o
nmero de trabalhadores substitudos por robs na indstria
automobilstica e eletrnica na Coria do Sul. Nas empresas
entrevistadas o nmero de trabalhadores substitudos por um rob de
dois. Entretanto TORII (1989) ressalta que enquanto na indstria
automobilstica os processos foram totalmente robotizados e nenhum
trabalhador foi mantido na operao, na indstria eletrnica em mdia
metade ou um tero dos trabalhadores foi mantido no processo aps a
introduo do rob. TANI (1989) expe o principal uso dos robs em funo
dos pases. Verifica-se que na Europa e EUA os robs foram usados
principalmente na indstria automobilstica, enquanto no Japo estes
foram usados principalmente na montagem de componentes eletrnicos.
TANI conclui que esta diferena foi um fator chave para o avano do
Japo na robtica, pois proporcionou que os mesmos passassem a
produzir componentes eletrnicos mais baratos e adquirissem uma
vantagem comparativa em relao aos EUA e a Europa. No Japo, uma
anlise (SAITO e NAKAMURA, 1989) dos efeitos diretos e indiretos. do
uso de robs na economia japonesa indica, que no perodo de 1985-1990
com a introduo de 155 mil robs no Japo, 71 mil empregos foram
eliminados, como efeito direto. Por outro lado, como efeito
indireto, 48 mil empregos foram gerados ligados a indstria de robs
e aumento de investimentos ligados a maior lucratividade das
empresas que utilizaram robs. Isso significa que, para cada 2 robs
instalados uma pessoa demitida diretamente, para cada 3 robs tem-se
uma contratada, e para cada 7 robs tem-se um emprego eliminado,
levando em conta os empregos gerados.
51
Na Alemanha, o impacto da robtica atingiu principalmente os
soldadores com uma eliminao estimada de 60.000 empregos nesta
categoria entre os anos de 1995 e 2000. Outros empregos
principalmente atingidos pela robtica so o de empacotadores, com
uma estimativa de 40.000 empregos eliminados e funcionrios de
linhas de montagem, com 20.000 empregos eliminados (EDLER and
RIBAKOVA,1994). Cabe ressaltar aqui que estes nmeros so estimativas
feitas em 1994 a respeito de possveis demisses para os anos entre
1995 e 2000. Nos efeitos positivos na Alemanha esto empregos
gerados na indstria de robs e na manuteno ligada a robtica, com
aumento do nmero de vagas para engenheiros mecnicos e eltricos com
uma qualificao um pouco acima da mdia. 5.3.1 O Impacto Social no
Brasil O custo da mo-de-obra e a reao social causada pelo medo do
desemprego foram as principais causas da automao nos pases
desenvolvidos. No caso Brasil isso ocorreu de forma diferente.
Apesar dos metalrgicos receberem salrios altos em relao ao resto da
populao nacional e terem um baixo nvel de escolaridade, os salrios
pagos no Brasil tm um custo muito pequeno em relao ao custo da
mo-de-obra nos pases desenvolvidos. Nos anos 80, o custo com
mo-de-obra direta representava menos que 5% do custo total do
veculo para as montadoras brasileiras. O salrio pago no Brasil
ficava em torno de 20% de um salrio pago nos pases desenvolvidos
(TAUILE, 1986). Tauile argumenta em seu trabalho que o tempo de
pagamento (pay-off time) de um rob nos anos 80 era de 32 anos,
inferior a sua vida til, estimada em 10 anos. No que se refere a
acordos trabalhistas, no existe aqui a rigidez encontrada nos EUA e
na Europa em relao a fora de trabalho (MARQUES, 1990, pg. 66). No
Brasil, comum os operadores serem deslocados de funo quando h nisso
interesse da empresa.
52
Sobre o papel dos sindicatos, cabe ainda ressaltar que durante o
perodo da ditadura estes tiveram pouco poder de presso sobre as
empresas, contribuindo para que o controle da empresa sobre o
trabalhador fosse muito mais forte no Brasil que em pases que
viviam uma democracia. O que de fato levou as montadoras a se
automatizarem foi a estratgia mundial adotada pelas matrizes. Nos
anos 80, as montadoras lanaram o conceito de carro mundial, um
automvel que seria produzido em partes ou uma nica planta, mas
teria como destino a comercializao internacional. Alm do carro
mundial, ocorreria a especializao de algumas filiais na produo de
alguns componentes. Com isso, surgiu nas plantas brasileiras a
necessidade de produzir segundo padres de qualidade mais rgidos,
tais quais os internacionais. Agora, duas ou mais filiais deveriam
ser capazes de produzir o mesmo tipo de veculo, a mesma pea, dentro
das mesmas tolerncias. A produo no poderia continuar com oscilaes
na qualidade do que era produzido: era necessria uma padronizao,
uma uniformidade. Tal padronizao, segundo a deciso da matriz, seria
obtida com o uso de mquinas, com a automatizao. Os padres de
qualidade do mercado internacional orientaram a automao das
montadoras no Brasil, as principais reas automatizadas foram na
montagem de carrocerias, a pintura e a fundio. Cabe destacar que,
no caso dos processos de pintura e brazagem (durante a montagem de
carrocerias), a automao muito justificada nos pases desenvolvidos,
por ser uma atividade insalubre. Entretanto, no Brasil, somente a
pintura externa foi automatizada, j que esta deveria atender aos
requisitos de qualidade. A pintura interna e inferior do automvel
foi mantida na forma manual. Ou seja, a eliminao de postos de
trabalho insalubres no Brasil no foi uma das razes para a
automatizao dos processos (MARQUES, 1990)
53
5.4
A Pirmide da Automao Industrial
A automao industrial exige a realizao de muitas funes. A Figura
5.1 representa a chamada arquitetura da automao industrial, com os
diferentes nveis de automao encontrados em uma planta industrial. A
seguir realizada uma breve descrio de cada um dos nveis da pirmide:
Nvel 1: o nvel das mquinas, dispositivos e componentes (cho de
fbrica), onde a automao realizada pelo controlador programvel e
seus perifricos. Ex.: linhas de processo de soldagem robotizadas,
transportadores. Nvel 2: Sua caracterstica ter algum tipo de
superviso associada ao processo. o nvel onde se encontram
concentradores de informaes sobre o Nvel 1 e as Interfaces
Homem-Mquina (IHM). Ex.: IHM de operao de uma clula de montagem de
portas automotivas, sala de superviso de um laminador. Nvel 3:
permite o controle do processo produtivo da planta. Normalmente
constitudo por bancos de dados com informaes dos ndices de
qualidade da produo, relatrios e estatsticas de processo, ndice de
produtividade, algoritmos de otimizao da operao produtiva. Ex.:
Avaliao e controle da qualidade de dimensional de medio on-line de
carrocerias. Nvel 4: o nvel responsvel pela programao e
planejamento da produo realizando o controle e a logstica dos
suprimentos. Ex.: controle de suprimentos e estoques em funo dos
fornecedores, gerenciamento de cadeia de fornecedores
just-in-time.
54
Nvel 5: o nvel responsvel pela administrao dos recursos da
empresa, em que se encontram os softwares para gesto de vendas e
gesto financeira; tambm onde se nrealizam a deciso e o
gerenciamento de todo o sistema. Ex: Sistema ERP.
Fig.5.1: Pirmide da automao (CASTRUCCI e MORAES, 2001).
55
5.5
Sistemas de Automao Balanceada (BAS):
No contexto de sistemas automatizados de produo, a automao
balanceada surge como uma alternativa que engloba o conceito de um
nvel apropriado de automao tecnolgica (CAMARINHA, 95), em oposio s
abordagens isoladas de sistemas centrados exclusivamente no ser
humano ou exclusivamente na automao total das mquinas.
Considera-se, que para incrementar a produtividade na manufatura
fundamental dominar as tcnicas de automao e integrao por computador
das linhas de produo utilizando ferramentas como CAD, CAM, CAPP e
mquinas CNC/DNC. Entretanto, necessrio ainda considerar questes
como "start-up", manuteno e ocorrncia de distrbios ou situaes
inesperadas (envolvendo mquinas e operadores humanos) que acontecem
freqentemente numa fbrica e que no podem ser tratadas de maneira
automtica na sua totalidade. Estas tarefas envolvem, geralmente, a
superviso e interferncia de um operador humano. Apresenta-se,
Tabela 5.1, uma comparao entre sistemas de produo entrados na
tecnologia e no homem.
56
Tab.5.1: Sistemas de produo centrado na tecnologia e no Homem.
Centrado na tecnologia Centrado no homem Considera a introduo de
novas Considera a introduo' de novas tecnologias tecnologias para
reduzir o nmero para complementar as capacidades humanas e de
operadores no cho de fbrica. tecnolgicas, incremento funcional da
flexibilidade, Qualidade do produto e conforto dos operadores.
Procura substituir as habilidades e Procura melhorar a qualidade e
estabilidade experincia humana por tecnologia. do recurso humano e,
atravs disto, melhorar a explorao do potencial oferecido por novas
tecnologias. Considera solues tcnicas Considera solues tcnicas
descentralizadas. centralizadas. Considera uma hierarquia rgida
Considera a participao dos operrios na (pouca liberdade) na tomada
de tomada de decises. decises. Considera uma funo operacional
Considera uma autonomia operacional para passiva, isto , a simples
execuo desempenhar tarefas diferentes e complexas, de tarefas. os
problemas podem ser resolvidos individualmente ou em qrupo. A
integrao de unidades de Considera a integrao de unidades para
informao, deciso e controle da treinamento, socializao, cooperao e
fbrica por meio de uma acesso informao, participao na tomada
centralizao auxiliada por de decises e autocontrole. computador.
Com a evoluo dos sistemas produtivos, um amplo conjunto de tarefas
tem sido automatizado, deslocando os operadores para o pr e
ps-processamento das mquinas. Uma razo para isto a relativa reduo
dos custos de computadores e de mquinas automatizadas comparadas
com os custos de treinamento e manuteno de operadores devidamente
qualificados. No entanto, o conhecimento, experincia e habilidades
humanas so caractersticas que na maioria das situaes dependem de
mtodos no triviais para serem estruturados e/ou reproduzidos.
Baseado neste fato, imprescindvel que o planejamento de sistemas
produtivos considere alm dos aspectos tecnolgicos, o conjunto dos
recursos humanos e a estrutura organizacional da empresa (Wobbe,
91).
57
5.6
Nvel de Automao em Linhas de Montagem de Carrocerias.
O mtodo de graduao do nvel de automao em um processo de produo
muito particular para cada rea de manufatura, e mesmo para
processos similares, no h normalizao ou regras estabelecidas. H
ainda variaes entre empresas pertencentes aos mesmos setores da
indstria. Focando no nosso estudo, pode-se citar que os critrios
para a escolha do nvel de automao de um processo de montagem de
carrocerias automotivas levam em considerao alguns pontos descritos
abaixo: a) Quantidade a ser produzida; b) Qualidade exigida; c)
Processos envolvidos na montagem; d) Fatores sociais e estratgicos.
O Clculo utilizado na engenharia de manufatura de armao de
carrocerias da Volkswagen para calcular o nvel de automao em uma
linha de montagem de carrocerias descrito abaixo:
MEGR =
tarefas automticas tarefas manuais + tarefas automticasautomao
ou grau de
(5.1)
Onde: MEGR: Nvel de mecanizao/automao (Mechanisierungsgrad)
Tarefas manuais: Somatrio de todas as tarefas manuais, onde 1
tarefa= a umoperador que exera uma tarefa direta na aplicao do
processo de juno e ou movimentao.
Tarefas automticas: Somatrio de todos os robs dispostos no
layout.
58
Obs.: Deve ser considerado um ndice proporcionalidade de acordo
com a tecnologia de com a aplicao do rob na referente tecnologia de
juno: Exemplo: Aplicados no processo de Solda Ponto, MIG/MAG,
aplicao de Cola, e = 1; Rob aplicado ao processo de grafagem
(conformao) = 2; Aplicaes de solda LASER (devido velocidade da
aplicao)= 2,5. Exemplo de clculo: Contabilizando todas as tarefas
em uma linha de produo obtm-se: - Soma das tarefas automticas: 423
Robs. - Soma das tarefas manuais: 100 Trabalhadores diretos ligados
ao processo de manufatura.
MEGR =
423 * tarefas automticas 100 * tarefas manuais + 423 * tarefas
automticas
(5.2)
Logo o grau de automao na linha de produo exposta neste exemplo
de: MEGR= 81%.
59
6
AUTOMAO
EM
MONTAGEM
DE
CARROCERIAS
AUTOMOTIVAS ROBOTIZADAS No prisma dos sistemas de manufatura
flexveis (FMS), destacam-se as seguintes tecnologias aplicadas na
automao de clulas de montagem de carrocerias automotivas: Robs,
Controladores Programveis e Interfaces (vide captulo 7). 6.1
Definies de Robs Industriais
Um rob industrial pode ser definido como um sistema mecnico
articulado que tem como objetivo principal executar operaes
pr-definidas. Isso realizado atravs da unidade de controle, que
indica o que o manipulador far para que o rob realize as tarefas
especificadas. Normalmente, ele constitudo de seis (6) graus de
liberdade. Sua trajetria definida atravs de um conjunto de
ngulos/translaes, associados ao movimento angular/linear de cada
grau de liberdade do rob, que, aps um algoritmo de interpolao,
servir como sinal de referncia para o controlador de posio de cada
junta robtica, que realizar uma comparao com os sinais provenientes
dos transdutores de posio das juntas. Diversas aplicaes industriais
exigem que o rob trabalhe de acordo com a posio e orientao de seu
elemento terminal em relao ao sistema de coordenadas de trabalho.
Por exemplo: um rob trabalhando em conjunto com uma mquina de
comando numrico, numa clula automatizada com outros robs; ou ainda
quando o rob dotado de um sistema de viso. Nesse ltimo caso, a
interpretao das imagens ser efetuada em relao ao sistema de
coordenadas de trabalho (em duas ou trs dimenses), e as informaes
extradas sero transmitidas ao sistema de superviso aps tratamento
apropriado. O supervisor de controle, ou unidade de controle,
responsvel pela gerao dos sinais de referncia individuais ao longo
do tempo, para cada junta do rob. Atravs
60
de uma malha de controle de posio independente para cada junta,
esses sinais so comparados aos valores atuais (obtidos atravs dos
sensores de posio articular). Entretanto, os valores das variveis
articulares utilizados como sinal de referncia na malha de controle
de posio das juntas, quando comparados com os valores reais de
posicionamento, podem traduzir um erro que aumenta com a velocidade
de operao. Conseqentemente, a implementao de um controlador de
posio para um rob industrial exige o conhecimento da preciso
cinemtica do movimento do manipulador. Para estabelecermos
estratgias de controle de posio de juntas robticas eficientes e
precisas, (erro prximo de zero), o movimento do rob descrito atravs
de equaes diferenciais, levando-se em considerao sua arquitetura
construtiva, a massa dos diferentes elementos, as inrcias e o
tensor de inrcia, relativamente carga transportada, e
considerando-se tambm a modelagem completa de seu sistema de
acionamento (motor-redutor) (PAUL, 1981). Um rob industrial
definido como um manipulador multifuncional reprogramvel, projetado
para movimentar materiais, partes, ferramentas ou peas especiais,
atravs de diversos movimentos programados, para o desempenho de uma
variedade de tarefas (RIVIN, 1988). Uma definio mais completa
apresentada pela norma Robotic Industries
Association (RIA) 10218: uma mquina manipuladora, com vrios
graus deliberdade, controlada automaticamente, reprogramvel,
multifuncional, que pode ter base fixa ou mvel para utilizao em
aplicaes de automao industrial.
61
Define-se um sistema robtico em (SCIAVICCO, 1996): a)
Manipulador: uma seqncia de corpos rgidos (elos) conectados atravs
de articulaes (juntas). b) Atuadores: para posicionar o
manipulador, as juntas so movimentadas atravs de atuadores. Os
motores utilizados so tipicamente eltricos, mas ocasionalmente
hidrulicos e pneumticos. c) Sensores: para medirem a posio, o
status do manipulador e, se necessrio, o
status do ambiente.d) Sistema de Controle: permite o controle e
a superviso da movimentao do manipulador. O manipulador formado por
elos ligados atravs de juntas (OLIVEIRA, 2004): O nmero de juntas
determina os graus de liberdade de um manipulador (SPONG, 1989).
Tipicamente, um manipulador deve possuir no mnimo 6 graus de
liberdade independentes: trs para posicionamento e trs para
orientao do efetuador final. Um manipulador com menos de 6 graus de
liberdade no consegue atingir todos os pontos de seu espao de
trabalho com uma orientao arbitrria (Figura 6.1). J um manipulador
com mais de seis graus dito redundante, pois pode atingir qualquer
ponto com uma orientao arbitrria atravs de infinitas
configuraes.
62
Figura 6.1 Rob com seis graus de liberdade (componente bsico de
um sistema flexvel para soldagem de carroceria).
63
6.2
Aplicaes de Robs Industriais
A prpria definio de rob industrial j fornece uma idia das
variadas aplicaes que podem ser realizadas com esse equipamento: um
manipulador multifuncional reprogramvel, projetado para movimentar
materiais, partes, ferramentas ou peas especiais, atravs de
diversos movimentos programados, para o desempenho de uma variedade
de tarefas", J foi dito que as caractersticas operacionais de um
rob industrial dependem essencialmente de sua configurao, das
indicaes de desempenho apontadas nos catlogos dos fabricantes e das
tarefas planejadas a serem realizadas. Para cada tarefa, geralmente
se faz uso de diferentes atuadores, os quais so selecionados
especialmente para promover a correta interao entre a extremidade
terminal do manipulador mecnico e o objeto a ser trabalhado. Os
principais fabricantes de robs industriais oferecem aos usurios
diferentes configuraes de manipuladores. Entretanto, alguns deles
se especializaram em produzir robs para aplicaes especficas,
obtendo assim melhores desempenhos operacionais. Entre as mais
importantes empresas que fabricam robs industriais
encontram-se:
ABB Robotics AB, Adept Technology Inc., Comau SPA, Daihen Co.,
Fanuc Ltd, Kawasaki Robotics Inc., Kuka Roboter GmbH, Motoman Inc.,
Nachi Co., e Stubli AG.Uma das aplicaes mais comuns de robs
industriais a soldagem. Aproximadamente 25% dos robs so empregados
em diferentes aplicaes de soldagem. Na montagem de carrocerias
automotivas os processos de soldagem por resistncia e brazagem
representam, aproximadamente, 80% do tempo de fabricao da
carroceria bruta. A montagem de componentes corresponde a
aproximadamente 33% das aplicaes de robs (1997) que so empregados
pelas indstrias automobilsticas e, principalmente, na rea de
montagem de carrocerias. A maioria das atividades relacionadas a
robs industriais em processos de produo envolvem operaes de
movimentao, processamento e controle de qualidade.
64
A seguir, so apresentadas algumas destas atividades: a)
Movimentao:
Movimentao de peas entre posies definidas; Transporte de peas
entre esteira transportadora e mquinas operatrizes; Carregamento e
descarregamento de peas em mquinas operatrizes; Carregamento e
descarregamento de peas em magazines:b) Processamento:
Soldagem por resistncia eltrica (pontos) ou a arco (contnua);
Fixao de circuitos integrados em placas; Pintura e envernizamento
de superfcies; Montagem de peas; Acabamento superficial; Limpeza
atravs de jato de gua e abrasivos; Corte atravs de processo de
plasma, laser, oxi-corte ou jato de gua; Fixao de partes com
parafuso, deposio de cola, rebites; Empacotamento.c) Controle de
qualidade:
Inspeo por viso; Verificao dimensional de peas atravs de
sensores.
65
6.3
Sistemas Flexveis de Produo e Robtica de Manipulao
Industrial.
A robtica trata de mquinas multifuncionais e reprogramveis que
podem executar tarefas normalmente associadas a seres humanos,
possuindo tambm a capacidade de identificar alteraes nas condies e
restries colocadas pela tarefa e/ou pelo ambiente, decidir quais as
aes que devem ser tomadas e planejar a sua execuo (PIRES, 2002). O
desenvolvimento deste tipo de mquinas introduziu um elevado grau de
flexibilidade nos ambientes de produo atuais, dada a sua
flexibilidade de utilizao em diferentes tarefas atravs de simples
adaptaes: mudana de ferramenta e reprogramao. Atualmente, os
sistemas de produo automatizados so fundamentais para as economias
modernas, visto que a sua riqueza (o seu Produto Nacional) depende
essencialmente das suas instalaes de produo: a riqueza cultivada ou
extrada emprega tipicamente menos de 10% da populao ativa e
contribui muito pouco para a riqueza nacional (PIRES, 2002). Por
isso, os sistemas de produo atuais, so cada vez mais sistemas
flexveis. A automatizao rgida que caracterizou as dcadas 50-80
(denominado perodo de ouro para a produo industrial), constituda
por mquinas dedicadas de elevada capacidade de produo, no se adapta
aos novos tempos. Atualmente, a enorme diversidade de produtos, o
desaparecimento das fronteiras comerciais, aliada exigncia de maior
qualidade e de menor preo, torna o ciclo de vida dos produtos muito
curto. Assim, as empresas funcionam geralmente com produes em
pequena/mdia escala (small/medium batch manufacturing) em que a
definio do produto feita muitas vezes pelo cliente (job-shop
manufacturing). Isso incompatvel com sistemas de produo rgidos,
direcionados para produo em larga escala de um determinado produto
ou tipo de produto. Para alm disso, as caractersticas de mercado
favorecem a denominada Zona da Robtica, e por isso que se tem
assistido a uma robotizao crescente das estruturas produtivas. Na
tabela 6.1 observamos a crescente evoluo dos estoques operacionais
de robs.
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Tabela 6.1 a Evoluo dos estoques operacionais desde 1995 a 1999,
com previso para 2003.
O que esses nmeros mostram e que devido a reduo do custo e
surgimento de novas motivaes, tem viabilizado novos projetos de
automao robotizada nos ltimos anos. As motivaes, apesar de
interessantes, ainda so limitadas e os custos so ainda grandes no
plano econmico e, essencialmente, no plano operacional. Podemos
citar as principais motivaes para o investimento em automao
robotizada: Motivaes:
Exigncia de maior qualidade a menor custo; Diversidade de
prod
