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PROJETO MECÂNICO E ELETRÔNICO PARA A CONSTRUÇÃO DE MÁQUINA
PARA CORTE DE SABÃO
Caio Barreto de Andrade – [email protected]
Universidade Salvador
Rua Vieira Lopes, nº. 2 - Rio Vermelho
41.940-560 – Salvador - Bahia
Gustavo Cure Pereira Amorim – [email protected]
Universidade Salvador
Rua Vieira Lopes, nº. 2 - Rio Vermelho
41.940-560 – Salvador - Bahia
Lucas Silva de Araujo – [email protected]
Universidade Salvador
Rua Vieira Lopes, nº. 2 - Rio Vermelho
41.940-560 – Salvador - Bahia
Resumo: O referente projeto tem por objetivo apresentar uma máquina cortadora de sabão
em barra autônoma de baixo custo; aumentando a produção e reduzindo a mão de obra da
empresa. Apresenta o projeto da estrutura mecânica e do software acoplado à maquina
cortadora de sabão desenvolvida pela Equipe MechEng, composta por estudantes de
engenharia mecânica da Universidade Salvador apresentado ao projeto ARHTE.
Palavras-chaves: Máquina, Cortar, Sabão, Mecânico, Software.
INTRODUÇÃO
O projeto ARHTE – Arquimedes, Robert Hooke e Thomas Edison é um projeto
elaborado pela Universidade Salvador. O ARHTE tem como objetivo incentivar a aplicação
prática da teoria ensinada em sala de aula. O ARHTE nos possibilita a interagir com diversas
áreas da engenharia, especificamente, a mecânica, mecatrônica e elétrica. Os projetos do
ARHTE são pré-definidos ou, as equipes que possuírem projetos em andamento podem
inscrever seu plano de negocio para avaliação do orientador; caso seja aprovado, a equipe
apresentará seu projeto no ARHTE.
A equipe MechEng visitou uma empresa de pequeno porte que confecciona sabão em
barra. A própria empresa produz o sabão e os corta. O sabão é quadrado e possui uma área de
1m2 (um metro quadrado). No processo de produção do sabão na dimensão que é
comercializada em mercados, a empresa os confeccionava manualmente através de moldes. É
um modelo que requer elevada mão de obra, além de ser arcaico e lento.
Em vista disso, a MechEng resolveu desenvolver uma maquina para cortar o sabão em
barra visando a produção em larga escala e diminuir o custo com mão de obra, além de
oferecer uma maior segurança ao operador. O processo de corte é inteiramente automatizado
necessitando apenas de um operador para posicionar a barrão de sabão bruto no local
especificado e retirar os pedaços após a finalização do processo de corte. Após o
posicionamento no local inicial, o sabão será deslocado contra lâminas de corte. A primeira
série de lâminas realizará o corte no sentido do comprimento e a segunda série realizará o
corte na largura. Depois de todo este processo, as barras de sabão já estarão prontas para
embalagem e comercialização.
OBJETIVO
Desenvolver uma máquina cortadora de sabão em barra autônoma de baixo custo
visando o aumento da produção e reduzindo a despesa com mão de obra de uma empresa.
JUSTIFICATIVA
A equipe MechEng resolveu desenvolver uma máquina cortadora de sabão em barra
após visitar uma empresa de pequeno porte situada em Santo Antônio de Jesus, onde as barras
eram cortadas manualmente. Visando diminuir o custo de mão de obra e aumentar a
produção, resolvemos criar dita maquina.
DESCRIÇÃO DA MÁQUINA
Materiais
A máquina cortadora de sabão é basicamente constituída de aço. A equipe optou por
trabalhar com aço devido ao fato de ser um material mais resistente e não extremamente
custoso.
Chapa de aço
O aço é uma liga ferro-carbono que contem concentrações de outros elementos de liga.
O aço utilizado foi o 1020. O mesmo, contem baixo teor de carbono; apenas 0,20%peso de
Carbono. Os aços com baixo teor de carbono possuem excelente ductilidade e tenacidade; eles
são usináveis, soldáveis e apresentam o menor custo de produção. O 1020 tem um limite de
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resistência à tração, ou seja, a tensão máxima que pode ser suportada por uma estrutura sobre
tração, de 380MPa; um limite de escoamento, o ponto onde a deformação plástica é iniciada,
de 220 MPa e 23% de alongamento. A chapa utilizada tem espessura de 1/8”.
Parafusos
Os parafusos foram utilizados para tracionar o arame para que o mesmo não se
deslocasse e danificasse o corte do sabão. O parafuso facilitará a manutenção do cabo de aço.
Os parafusos maiores são de ½” e os pequenos são de 5/16”.
Motores
Foram utilizados dois motores BOSCH de 12 Volts de corrente contínua, dois sentidos
de giro, de duas velocidades permitindo 100 rotações por minuto. O consumo normal do
motor é de 7,5 Amperes. Os motores serão utilizados para transmitir a força necessária para
deslocar a peça que irá levar o sabão até a área de corte.
Os motores são alimentados por um conversor com entrada bivolt e saída com sinal 12
Volts e corrente de 5 Amperes.
Rolamento
O rolamento é um mecanismo que possibilita o movimento entre duas ou mais partes.
Utilizamos o rolamento 6201. O 6201 possui um diâmetro interno de 12 mm, um diâmetro
externo de 32 mm e uma espessura de 10 mm. O mesmo é fabricado em aço cromado e possui
dois metais escudos para protegê-lo da poeira.
Cabo de aço
O cabo de aço utilizado foi o mesmo encontrado em motocicletas. O cabo de aço serve
para realização do corte da barra de sabão. Os cabos estão espaçados entre si em uma
distancia de 2.5 cm. O cabo de está tracionado por parafusos proporcionando um melhor
corte.
Solda
A solda utilizada foi a solda comum para ferro que permite a junção dos metais. O
eletrodo utilizado foi o E 6013, pois é fácil de trabalhar. Seu revestimento permite a
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estabilidade do arco. A transferência do metal é suave e uniforme fazendo com que o
acabamento fique de boa qualidade.
Parafuso de rosca quadrada
O parafuso de rosca quadrada serve para locomoção da peça que leva o sabão nos dois
sentidos (ida e volta).
Porca
A porca é um material utilizado para fixação de parafusos.
Tinta
A tinta utilizada foi a tinta comum de cor azul. Antes de aplicar a tinta, a chapa de aço
foi revestida com uma base de zarcão para melhor fixar a tinta e proteger a maquina contra a
formação de ferrugem.
Componentes eletrônicos
Sensor
A chave fim-de-curso é um interruptor que é acionado pela própria peça monitorada.
O mesmo, quando acionado, envia informações para o programa indicando que a peca chegou
ao ponto final de seu curso. O sensor fim de curso utilizado foi o KW11-7-1 16A e o YQ
3A.
Relé
O Relé é um interruptor acionado eletricamente. Ao percorrer a bobina do relé, a
corrente elétrica forma um campo magnético que atrai um contato fechando ou abrindo
circuitos. Quando não houver mais corrente, não haverá também a formação de um campo
magnético, fazendo com que o contato volte para sua posição inicial. Os relés tem contato NA
e NF. O contato NA, Normalmente Aberto, está aberto quando não há corrente elétrica
circulando pela bobina e se fecha quando ha corrente. O contato NF, Normalmente fechado,
está aberto quando há corrente elétrica. A máquina cortadora de sabão possui quatro relés de
12 Volts.
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Figura 1: Funcionamento do relé
Fonte: http://huilyrobot.tripod.com/compo/rele.htm
Transistor
O transistor é um dispositivo semicondutor que tem como função amplificar um sinal
elétrico. O transistor é composto por duas junções p-n posicionadas em uma configuração pn-p ou n-p-n. No tipo p-n-p, a base do tipo n está entre uma região emissora do tipo p e uma
região coletora também to tipo p. A junção emissor-base possui fluxo para frente e a junção
base-coletor possui fluxo reverso. O emissor quando for do tipo p e a junção 1 apresentar
fluxo para frente, buracos entram na base. Os buracos são do tipo n se combinam com os
elétrons majoritários da base. O papel dos semicondutores é transferir os buracos da base para
o coletor do tipo p. Há um aumento na voltagem de alimentação dentro do circuito emissorbase assim como um aumento de corrente através da junção 2. Assim sendo, há uma
amplificação do sinal de voltagem. A equipe MechEng utiliza quatro transistores do tipo
BC548.
Diodo
O diodo é um componente eletrônico que permite a passagem de corrente elétrica em
apenas um sentido. O diodo está diretamente polarizado quando o polo positivo da fonte
geradora entra em contato com um lado do cristal (anodo) e o polo negativo da fonte geradora
entre em contato com o outro lado do cristal (catodo). O diodo está inversamente polarizado
quando o inverso ocorre. A máquina cortadora de sabão possui quatro diodos 1N4007.
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Resistor
Os resistores são componentes eletrônicos que oferecem resistência à circulação de
corrente. Os resistores podem ser associados em série ou em paralelo. Quando associado em
série, o resultado total de resistência é a soma de todas as resistências, como pode ser visto na
figura 2. Quando associado em paralelo, a resistência equivalente é dada pela soma do inverso
dos valores de cada resistência. A equipe MechEng utilizou 4 resistores 10k e 4 resistores
2k2.
A.)
B.)
Figura 2: Fórmula da Resistência total em série (figura A) e em paralelo (figura B)
Microcontrolador
O PIC 16F628A é um chip produzido desenvolvido pela companhia Microchip
Technology. Este PIC possui 18 pinos ao total, 35 instruções no microcódigo, sinal de clock
de frequência até 20 MHz, memória do programa do tipo Flash de 2048 words, 224 bytes de
memória RAM para dados, 128 bytes de memória EEPROM para dados, instruções de 14 bits
com 200 nano segundos de tempo de execução, dados de 8 bits por endereço de memória, 15
registradores especiais e 16 pinos que podem ser configurados como entrada e/ou saída. Os
pinos de RA0 à RA7 e de RB0 à RB7 podem ser utilizados como entrada ou saída. O pino
VDD é utilizado para alimentação do PIC, que é ligado com 5 Volts. O pino VSS é o terra. O
pino MCLR é uma entrada do sinal de reset em nível zero.
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Figura 3 : pinagem do microcontrolador PIC 16F628A
Fonte: http://www.cp.utfpr.edu.br/chiesse/Sistemas_Digitais/PIC16f628a.pdf
Cristal
O cristal é um oscilador eletrônico que utiliza a ressonância mecânica de um cristal
vibrante para criar um sinal elétrico com uma freqüência extremamente precisa. Ressonância
mecânica é a tendência de um sistema oscilar com amplitude larga em algumas freqüências. A
freqüência é utilizada para monitorar o tempo do circuito, estabilizar o relógio de sinal e a
freqüência dos receptores. O cristal utilizado foi o de 4 MHz.
Capacitor
O capacitor é um componente eletrônico que consiste de dois condutores separados
por um material isolante. Alguns dos materiais isolantes são papel, cerâmica, mica e materiais
plásticos. Os capacitores são utilizados para armazenar energia para rápida utilização. Outra
função é eliminar as ondulações; se uma linha que conduz corrente contínua apresentar
ondulações, o capacitor uniformizará a tensão absorvendo os picos. Nós utilizamos dois
capacitores de cerâmica 22pf.
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Placa de circuito
A placa que nós utilizamos foi uma placa de fibra de vidro 25 x 25 centímetros.
Construímos o desenho da placa no software Proteus 7.7 e imprimimos o circuito no papel
glossy utilizando uma impressora à laser. Antes de começar a transferir o circuito do papel
para a placa limpamos a placa com Bombril para retirar qualquer tipo de impureza ou
gordura. Feito isso, voltamos a face impressa para a placa, esticando-a bastante e fixando com
fita crepe, ligamos o ferro a temperatura mediana e aplicamos sobre o papel. O ferro deve ter
a base lisa. Após alguns minutos molhamos a placa e o papel com água para desgrudar o
papel. Corrigimos algumas imperfeições com a caneta para circuito. Ao final, corroemos a
placa em uma vasilha plástica colocando uma mistura de 300 ml de água e percloreto de ferro.
Após completa corrosão do cobre, lavamos a placa em água corrente para remover restos de
cobre.
METODOLOGIA DE CONSTRUÇÃO
Parte Mecânica
Com a idéia em mente definiu-se a topologia da maquina. A equipe MechEng realizou
o projeto na oficina mecânica UseNeto na cidade de Santo Antônio de Jesus. Para fabricar a
máquina contamos com o auxílio de profissionais especializados na área mecânica. A equipe
fez um desenho inicial para servir como ponto de partida para construção da máquina. Para a
construção da mesma, conduzimos a chapa de aço à guilhotina para cortá-la no tamanho
especificado. Depois, os pedaços já cortados foram levados à dobradeira, adquirindo as
formas desejadas. Algumas partes careceram de solda para atingir o objetivo da máquina
proposta. Com todo este processo foi feita a base principal. Para locomover a peça que
empurra o sabão, utilizamos o parafuso de rosca quadrada com dois guias. Resolvemos
utilizar os guias para que não haja desvio no momento do corte. O corte será feito por cabos
de aço utilizados em motocicletas. Os cabos estão tracionados verticalmente por parafusos de
5/16 polegadas para proporcionar um melhor corte. A equipe resolveu utilizar o cabo de aço
devido a vantagem da manutenção, durabilidade e custo. As peças que empurrão o sabão até
as lâminas de corte serão impulsionadas por um motor de corrente contínua que transmitirá a
força mecânica necessária.
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Figura 4: Projeto da máquina em 3D desenvolvido no Google Sketchup
Programação
Utilizamos a linguagem C para programar o PIC 16F628A, pois é a linguagem que
estamos aprendendo em sala de aula.
O ambiente de desenvolvimento utilizado foi o PIC C Compiler da CCS.
A máquina cortadora de sabão possui cinco sensores. O programa somente é iniciado
quando o primeiro sensor detectar que o sabão foi posicionado na posição correta. A partir
daí, o programa aguarda dois segundos; tempo suficiente para o operador retirar sua mão.
Apos os dois segundos, o motor empurra a barra de sabão para frente até atingir o fim de
curso. Ao atingir o fim de curso, motor para e espera um segundo. Em seguida, o motor 1
volta à posição original e o motor 2 avança, empurrando o sabão em direção à segunda
sequência de arames. Enquanto o motor 2 avança, o fim de curso, denominado, S1 monitora
o retrocesso do motor 1 e o S4 monitora o avanço do motor 2. Ao atingir o fim de curso, o
motor dois para, espera um segundo e retrocede a sua posição inicial, sendo monitorado pelo
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sensor S3. Apos tudo isso, o sistema para e aguarda ate que outro sabão seja colocado sobre a
mesa e ative o sensor SO; dando inicio ao programa novamente.
A leitura dos sensores é feita através da função input (tabela 1). O sensor SO está
conectado ao pino A0, o sensor S1 está conectado ao pino A1, o sensor S2 está conectado ao
pino A2, o sensor S3 está conectado ao pino A3, e por fim, o sensor S4 está conectado ao pino
A4.
O motor 1 e o motor 2 são controlados pelas portas B6, B7 e B4, B5 respectivamente.
Utilizamos o sistema binário para programar o avanço dos motores. O numero decimal 128
representa o funcionamento apenas do motor 1. O numero decimal 0 representa o estado de
inatividade de ambos os motores. O numero decimal 96 é o retrocesso de motor 1 e o avanço
do motor 2. O numero decimal 32 é o avanço somente do motor 2. Por fim, o numero 16 é o
retrocesso do motor 2.
A função delay é utilizada para interromper o funcionamento dos motores durante um
curto período de tempo para melhor visualização de cada etapa do projeto, como pode ver na
figura 5.
Motor
1
B7
Motor
1
B6
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
Motor
2
B5
Motor
2
B4
B3
B2
B1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
Tabela 1: Leitura dos sensores por números binários
B0
Número
Decimal
0
0
0
0
0
128
0
96
32
16
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Figura 5: Programação
Produtividade
A máquina cortadora de sabão produz 16 sabões em dimensões 2,5 cm x 2,0 cm em
média de 2 minutos e 20 segundos.
CONCLUSÃO
A equipe MechEng atingiu o objetivo de confeccionar uma máquina que se adequa a
empresas de pequeno porte de beneficiamento do sabão em barra. Os benefícios propostos
são: melhorar o gerenciamento de riscos aos operadores, aumentar a oferta do sabão, reduzir o
custo com mão de obra visando maximizar o lucro da empresa.
Com a realização deste projeto, os integrantes da equipe MechEng, puderam vivenciar o quão
grande é difícil e árduo projetar e desenvolver um equipamento.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ARCELLORMITTAL. Eletrodos E 6013. Disponível em: <
http://www.belgo.com.br/produtos/belgo_bekaert/arames_solda/eletrodos_E_6013/eletrodos_
E_6013.asp>. Acesso em:15 mai.2011.
COLÉGIO WEB. O que são resistores. Disponível em:<
http://www.colegioweb.com.br/fisica/resistores1.html>. Acesso em: 1 mai. 2011.
HOW STUFF WORKS? Como funcionam os capacitores. Disponivel em:<
http://eletronicos.hsw.uol.com.br/capacitor3.htm>. Acesso em: 8 mai. 2011.
JR. CALLISTER, William D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução. 7. ed.
São Paulo: Editora LTC, 2002. 511p.
OLIVEIRA, Eider Lúcio; FIDELIS, Éderson Lacerda. Microcontrolador PIC 16F628.
Apostila – Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás.
WIKIPEDIA. Circuito Paralelo. Disponível em:<
http://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_paralelo>. Acesso em: 28 abr.2011.
WIKIPEDIA. Crystal Oscillator. Disponivel em:<
http://en.wikipedia.org/wiki/Crystal_oscillator>. Acesso em: 15 abr. 2011.
MECHANICAL AND ELECTRONIC PROJECT FOR THE CONSTRUCTION OF
THE SOAP CUTTING MACHINE
Abstract: The referred project has the aim to present a low cost autonomous soap cutting
machine. Such machine will increase the productivity and the efficiency in the safety area, as
well as the reduction of man power. Presents the project of the mechanical structure and
software coupled to the machine developed by the team MechEng, composed by
undergraduate students of Mechanical Engineering from the Universidade Salvador.
Key words: Machine, Cut, Soap, Mechanical, Software.
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