Controlo do movimento em linhas de produção

Na atualidade é indispensável produzir de forma célere, com ciclos diminutos e lotes frequentemente reduzidos. O controlo de movimento no seio das indústrias tem que responder a esses requisitos. Os acionamentos são responsáveis por mais de 90 % dos movimentos, animando sistemas inanimados. São autênticos transdutores de energia elétrica em movimento.

Se em tempos motor e redutor se confundiam com acionamentos, atualmente essa abordagem é bastante limitativa. O acionamento deixou de ser o músculo desprovido de inteligência que agia cegamente às ordens de um controlador de nível superior. Os acionamentos emergiram para um nível superior, impulsionados pelas exigências da engenharia moderna. Os componentes anteriormente mencionados são complementados com poderosos, compactos e versáteis conversores de frequência (usualmente também designados por variadores eletrónicos de velocidade), controladores, monitores de segurança e amigáveis interfaces homem máquina. A polivalência requer adaptação constante às necessidades de produção e reação imediata ao tratamento de informação provida por outros atuadores e sensores. Como tal, os acionamentos têm que falar entre si e com outros dispositivos, criando uma teia de comunicação, sendo consequentemente integrados em redes de bus de campo. Por outras palavras, os acionamentos são a combinação harmoniosa da mecânica, eletricidade, eletrónica, informática e automação: mecatrónica.

A história do movimento e dos acionamentos cruza-se muitas vezes ao longo do tempo e, por vezes, é mesmo coincidente.

Nos finais do século XIX teve início a era industrial. Assiste-se a um nível inimaginável de mecanização e automatização de processos repetitivos (produção em série). Processos que eram até então desempenhados por pessoas – muitas vezes envolvendo grandes esforços físicos – passam a ser feitos por máquinas. Tratou-se de uma autêntica revolução.

Durante os primeiros anos, essa mecanização foi obtida sobretudo através de correias de transmissão: a energia era transferida por correias de couro a partir de um motor principal, usando polias reversivas e eixos intermédios. A inversão do sentido era obtida através do cruzamento das correias. Desta forma, disponibilizava-se a energia onde ela era efetivamente necessária: na máquina correspondente. O motor central era um motor a gás ou uma roda movida a água. Mais tarde, o motor central passou a ser elétrico. A rotação e o binário eram adaptados para cada aplicação particular recorrendo a redutores tendo por base correias/polias ou engrenagens.

Mesmo quando só era necessário ter uma máquina a funcionar, o motor principal tinha que trabalhar, tornando o sistema bastante ineficiente do ponto de vista energético. Adicionalmente, os eixos rotativos e correias não tinham qualquer blindagem ou protecção, pelo que eram perigosos e extremamente ruidosos. Na figura 2, apresenta-se essa configuração de transmissão de energia.

O facto de ser uma unidade homogénea, robusta, compacta e económica, fez do moto-redutor um equipamento de enorme sucesso. Tem por base conceitos e design simples e um número quase ilimitado de combinações, conferindo-lhe extrema versatilidade e tornando-o a melhor solução em termos de acionamento para a maioria das aplicações.

Com o aparecimento dos redutores planetários (unidades extremamente compactas, com minimização da folga angular e frequentemente com relações de transmissão inteiras), abriram-se novas portas para a aplicação dos moto-redutores, designadamente as que exigem elevada precisão, em particular no domínio da robótica.

Sem dúvida que a passagem dos conversores de frequência para o campo impulsionou esse processo de descentralização. Os conversores de frequência integrados são montados diretamente no moto-redutor ou na sua vizinhança. Não são necessários cabos entre o motor e o conversor (no limite são encurtados), resultando numa unidade compacta e bastante otimizada nos mais diversos pontos de vista: projeto, instalação, comissionamento, operação e manutenção, o que acarreta vantagens na redução de custos.

Os acionamentos descentralizados estão disponíveis em diversas tecnologias de bus de campo, facilitando a sua integração nas mais diversas topologias de automação.

Figura 5. Acionamento descentralizado MOVIPRO® da SEW-EURODRIVE.

Prevê-se que em 2050 o consumo energético seja o dobro do que foi verificado em 2000. Surgem forças económicas com o intuito da racionalização do consumo energético, motivadas pelos aumentos do consumo, da emissão de gazes poluentes e do custo energético.

Há muito que gerar movimento deixou de ser condição suficiente para definir um acionamento. Obviamente que continua a ser necessário gerar o movimento, mas tem que ser de forma eficiente e com maximização da relação performance/custo. É precisamente aqui que entram os acionamentos mecatrónicos: acionamentos tecnicamente evoluídos, munidos “de inteligência própria” e capacidade de adaptação às inconstantes e reais necessidades de aplicação, designadamente em termos de binário.

No arranque, o binário solicitado pelas aplicações é elevado e de curta duração. Uma vez vencida esta fase, as exigências são consideravelmente inferiores. É neste regime, designado por contínuo, que o acionamento vai operar a maior parte do tempo. Para cumprir estas imposições, os acionamentos convencionais têm que ser sobredimensionados. O ideal era que as curvas do perfil de carga e do acionamento fossem coincidentes. Ora isto implica elevada capacidade de sobrecarga e constante adaptação, ou seja, acionamentos mecatrónicos. Em termos práticos, significa que a potência instalada pode ser consideravelmente reduzida.

Na figura 6 apresentam-se o perfil de carga típico de um transportador e as curvas de binário de um moto-redutor com conversor de frequência e de um acionamento mecatrónico, ilustrando o que anteriormente foi mencionado.

Às vantagens dos acionamentos descentralizados convencionais, acrescem o reduzido número de versões, a facilidade de limpeza, o funcionamento extremamente silencioso (não possui ventilador), a redução dos custos (instalação, operação e manutenção).

Em conformidade com o parágrafo anterior, os produtores de bens de acionamento começam a apresentar soluções inovadoras cujo desenvolvimento contemplou as preocupações ambientais, nomeadamente a integração no ciclo de materiais (baseado num conceito de produto sustentável que permite a reutilização direta de componentes). Adicionalmente, no final do ciclo de vida, o cliente pode/deve devolver a unidade completa para reciclagem.

Figura 7. Ciclo de vida do conversor de frequência MOVI4R-U® da SEW.

Industria 4.0, Internet das coisas ou Integrated Industry são termos para designar a revolução industrial que se avizinha.

Depois da 1ª revolução industrial com a máquina a vapor, da 2ª revolução com o motor de combustão e da 3ª revolução com a internet e a robótica, chegou a vez da automação completa com máquinas autónomas comunicantes entre si no que concerne aos dados de estado e de comando: a 4ª revolução.

A Internet das coisas foi impulsionada com o lançamento do protocolo Internet V6, possibilitando 340 sextiliões de endereços – o suficiente para cada inseto ao cimo da terra!

Os acionamentos serão um dos impulsionadores do desenvolvimento, assumindo cada vez mais o controlo do movimento e interagindo diretamente com as tecnologias de gestão da produção. A produção terá que reagir rapidamente (para não dizer imediatamente!) a acontecimentos e partilhar os mesmos com outros setores diretos ou indiretos.

O virtual será cada vez mais real e a fronteira entre ambos será muito débil. A inteligência própria é cada vez menos um privilégio apenas dos humanos. Caberá ao homem a tarefa de se adaptar a esta nova realidade, em que máquinas autónomas se encarregam de processos parciais.

Do anterior exposto, resulta de forma incontestável que os acionamentos assumem um papel fulcral na geração e controlo do movimento. Consequentemente, a sua especificação tem que ser bastante criteriosa não apenas em termos técnicos, mas também em termos económicos. As exigências técnicas e o custo de investimento são apenas alguns elementos do dilúvio de variáveis da complexa equação de que resulta o acionamento ideal.

Terá que ser feita uma abordagem considerando o ciclo de vida completo, tendo em conta também a instalação, formação, operação, manutenção e encaminhamento do produto no seu final de vida.

São estas as exigências de um mundo moderno, mais eficiente e amigo do ambiente, onde os clientes não exigem a produção de produtos, mas sim do seu produto, disponibilizado onde e quando quiserem.

Não basta mover! É preciso fazê-lo bem, onde for estritamente necessário e, apenas, quando tal se justificar. Alterar o invólucro e manter o conteúdo é utopia. Urge criar novas soluções e novos conceitos e que o sejam de facto.