Artigo técnico
Este artigo tem como objetivo prover uma visão geral de algumas formas nas quais os sensores podem ser utilizados para que processos automáticos de produção não resultem em erros. A verificação de erros é uma ferramenta reconhecida por seus ganhos substanciais em qualidade do produto e eficiência da manufatura. Mas esta não é a palavra final sobre esta questão, somente pro-põe uma ferramenta para que um estudo sobre as possíveis causas de erros seja iniciado.
O caminho para a verificação de erros usando sensor.
Nos últimos anos, os termos gestão da qualidade total, manufatura enxuta, à prova de erro, à prova de falhas e Poka Yoke têm sido empregados para descrever os diversos programas e técnicas de produção que foram concebidos para extrair os erros cometidos durante os processos de manufatura, reduzir custos, aumentar a qualidade do produto e a rentabilidade e produtividade geral.
Durante os anos de 1970 até aproximadamente o final do século XX, o controle centralizado, através dos controladores lógicos programáveis, ocupavam o centro das atenções quando o assunto era conseguir melhorias no processo de automação. Em geral, uniformidade e repetibilidade eram as maiores preocupações. Nessa época, os protocolos de software e de comunicação normalmente eram utilizados como um diferencial para medir a eficácia de uma solução global de automação. Os principais benefícios destes sistemas eram estabelecer níveis mais elevados de eficiência e uniformidade aos próprios processos. Os sensores faziam parte destes sistemas, mas se os compararmos com a variedade de funções que eles têm nos dias de hoje, podemos dizer que eles eram bastante limitados. Eles basicamente comunicavam ao seu CLP central as coisas que aconteciam. Por exemplo, “O bloco do motor está aqui. O furo foi usinado. A ferramenta está recuada.”
No entanto as funções dos sensores sofreram uma mudança drástica e, hoje, a tarefa dos sensores vai muito além de enviar uma mensagem de sim/não ou de liga/desliga a um CLP. Os modernos processos de produção não têm mais como abrir mão do uso de sensores. Quando fala-se em melhoria de processos produtivos, o CLP não está mais no centro da discussão. Os antigos controles de qualidade, especialmente depois que as peças ou produtos são concluídos, já não são suficientes, porque eles somente verificam e não previnem o erro. Independente do processo de produção ser automático ou semiautomático, os atuais sensores associados ao rastreamento através da tecnologia RFID, realizam o processo de controle de qualidade e determinam a evolução da automação da atualidade.
Os processos para verificação de erros ou Poka Yoke, só foram possíveis por causa do uso inteligente de sensores e RFID. Estes são tão impor-tantes quanto a lógica da estrutura do processo em que estão incluídos pois fornecem as conexões mais importantes na cadeia de suprimentos. São considerados como a forma mais eficiente de reduzir custos e melhorar o processo de produção. Os atuais sensores são os componentes de controle primário que realmente podem aumentar a qualidade do próprio produto. Agora, os sensores podem ser utilizados para comunicar ao CLP como as coisas estão acontecendo e se os produtos e as peças estão sendo produzidas dentro das especificações. Além disso, eles podem transmitir esta informação como uma parte de cada etapa do processo de produção e não apenas como uma verificação desatualizada da qualidade.
Entretanto, o rastreamento RFID que acontece no interior e entre as ilhas de automação, significa uma forma de controlar não só o que aconteceu, mas o que deu certo. O monitoramento do RFID registra sempre que algo deu errado e diz o que precisa ser feito para corrigir uma falha em um determinado componente ou em uma etapa do processo. Fabricar peças de alta qualidade significa muito mais do que construir um produto de qualidade. O produto certo deve ficar na sequência correta e sempre ser entregue na hora certa. Isso impacta enormemente o próprio proces-so de produção, uma vez que o RFID refere-se não só à qualidade das peças ou dos produtos a serem fabricados, mas diretamente à eficiência do sistema como um todo. Isto aumenta em muito a importância dos sensores e sistemas RFID como instrumentos fundamentais para aumentar o valor de um fabricante perante o seu cliente.
Sensores: Fundamentais para a qualidade do produto
Enquanto os CLPs têm um impacto direto sobre a eficiência de todo o processo, os sensores têm um impacto direto sobre a qualidade do produto. Os sensores industriais, que há muito provaram a sua eficácia nas filas de tarefas da automação básica, estão sendo cada vez mais utilizados para a função de verificação de erros. As mais recentes tecnologias dos sensores estão permitindo que estes concorram com sucesso com dispositivos ativos de verificação de erro, como os sistemas de visão. O indicativo de qualidade fornecido pelo sensor, frequentemente em conjunto com o RFID, fornece um meio simples e eficaz de assegurar que uma peça esteja presente e corretamente orientada ou na posição adequada para processamento.
A verificação de erros ativos leva a questões comuns de produção como:
- Instalação incorreta da peça (tamanho do parafuso errado)
- Incompatibilidade de cor (pedaço de guarnição errado)
- Peças faltantes (arruela não montada)
- Aperto insuficiente (aperto não adequado)
- Lubrificação insuficiente (pouca graxa)
- Erro no rótulo do produto
- Produtos entregues fora da sequência
Utilizando os sensores de forma eficiente
Os sensores possuem saídas padronizadas que podem ser digitais (sim/não) ou analógicas (medição ou posição). A correção integrada de um erro ativo envolve determinar o uso correto dos sensores e o nível necessário de verificação dos erros. De um modo geral, para que os sensores funcionem corretamente, é preciso que certas condições sejam satisfeitas. As peças precisam estar bem presas em suportes ou devem ser leva-das a um ponto de inspeção. É preciso haver um número aceitável de pontos de inspeção por peça para que os parâmetros desejados possam ser verificados por um número razoável de sensores. Finalmente, a localização do detalhe na peça em questão deve permanecer constante em relação ao sensor.
Sensores nas funções de automação e montagem
Sensores indutivos de proximidade
Uma ampla variedade de tecnologias para detecção são encontradas nas áreas de montagem e automação. Os sensores indutivos de proximidade são poderosos aliados no universo do sensoriamento. Os dispositivos digitais relativamente simples (liga/desliga) como os sensores indutivos de proximidade, por exemplo, determinam a presença das peças, as características de detecção/confirmação, a presença/ausência de furo, e verificação do encaixe das peças. Estes sensores são resistentes, estáveis durante o funcionamento, confiáveis e precisos. Podem ser instalados em ambientes com diferentes faixas de temperatura e são, em geral, fáceis de instalar. Se o alvo a ser detectado é de metal, um sensor indutivo de proximidade seria difícil de superar.
Sensores fotoelétricos
Todos os sensores fotoelétricos digitais nos modos barreira, retro-reflexivos e de reflexão difusa, são utilizados para detectar a presença de componentes metálicos e/ou não metálicos. Os sensores fotoelétricos mais utilizados são os de luz vermelha, infravermelha ou laser. A escolha entre cada uma delas normalmente é determinada pelo tipo de uso. Em termos gerais, os sen-sores a laser possuem um feixe de luz mais controlado e preciso. Os sensores fotoelétricos de luz vermelha são fáceis de instalar e os de luz infravermelha oferecem mais vantagens, ou uma capacidade maior de realizar detecção nos meios industriais hostis (fumo, óleos, vapor, névoa, etc.). Tudo se resume em encontrar o sensor adequado para casa uso.
Sensores analógicos
Quando uma simples resposta binária não é suficiente para uma montagem correta, um sensor analógico pode fornecer os dados complementares indispensáveis para a verificação de erros em ambientes flexíveis de produção. Os sensores analógicos fornecem informações sobre a posição da peça em forma de um sinal analógico que possui conexão direta com o sistema de controle, permitindo medições reais e uma grande variedade de decisões baseadas na lógica booleana, além disso alguns sensores analógicos oferecem uma ou mais saídas digitais.
Os sensores analógicos podem ter uma tensão contínua de saída para aferição, medição e posicionamento preciso das peças durante a montagem e o processo de automação. Vários modelos com tecnologias indutivas e fotoelétricas possuem pontos digitais que podem ser programados em qualquer ponto dentro do raio de detecção do sensor. Este recurso ajuda a estabelecer os parâmetros de limite e dar um feedback sobre a posição de cada sensor.
Sensor a laser
Os sensores a laser são mais precisos, mais fáceis de usar e mais eficientes em termos de correção de erros e detectam detalhes do produto através de difusor, difusor com técnicas de supressão de fundo ou fracionamento de feixe através de sensor de feixe ou retrorreflexivo.
As versões com feixe interrompido são confiáveis, precisas e conseguem detectar posição de longo alcance sem considerar a cor do alvo. Os sensores de feixe conseguem detalhar os erros que foram detectados em um produto com base no componente que falta ou nas característica do produto.
Os pontos de laser que são facilmente visualizados auxiliam os operadores destacando o detalhe do produto específico e são especialmente úteis para informar ao operador sobre a localização dos erros após a detecção. A longa capacidade de alcance dos raios laser permite que eles sejam posicionados próximos aos operadores ou da ferramenta em movimento, propiciando que mais pontos sejam detectados em áreas menores.
Além disso, a precisão dos sensores a laser normalmente é muito maior que a oferecida pelo acessório do aparelho. Quanto maior a tolerância do aparelho, melhor será o desempenho do laser nessa operação.
Sensores de cor
Quando os fabricantes precisam validar componentes com cores compatíveis, os sensores de cor são utilizados para verificar se, durante a produção, o componente com a cor certa foi colo-cado no dispositivo certo. Os sensores de cor possuem um alto nível de sofisticação.
No quesito economia, há sensores com boa relação custo/benefício e fáceis de programar, que detectam e armazenam na memória as três cores ou tons.Isto soluciona de 80-90% das necessidades diárias de detecção de cor dos processos de fabricação.
Os sensores de cores reais são perfeitos para aplicações altamente especializadas como a correspondência de cores e verificação da sequência (ILVS) em linha do veículo na indústria automotiva. Neste caso, os sensores de cor são ajustados para os tons mais escuros, como os normalmente encontrados no interior dos veículos. Tais sensores de cor conseguem determinar três cores individuais sem a necessidade de luzes ou controladores externos. A configuração do sensor é feita programando a cor pretendida e, em seguida, atribuindo um nível de tolerância para esta configuração. As margens reduzidas de tolerância permitem a detecção de pequenas diferenças de sombra, ao passo que as margens mais ampliadas detectam variações aceitáveis de sombra devido a inconsistências. Há também formas de avaliar superfícies foscas e brilhantes.
Sensores de raios UV
A identificação de raios UV é o método mais confiável para as complexas tarefas de montagem de correção de erros – melhor até que um sistema visual. O processo de identificação de raios UV possui duas etapas. O primeiro passo é aplicar o material indicador luminescente nas peças em questão. O segundo é usar um sensor UV para detectar o material indicador. Quando o sen-sor detecta um certo nível de luminosidade proveniente do material indicador, isto significa que a peça foi identificada como positiva.
Dentre as vantagens dos sensores UV estão a confiabilidade, ajuste de peças soltas, o uso de cabos de fibra óptica em espaços limitados, controles simplificados de autoajuste e compatibilidade com qualquer sistema de controle. A vantagem é que os materiais alvo são invisíveis ao olho humano, inertes (sem reações químicas) e não impactam negativamente a estética do produto. Muitas graxas/lubrificantes “brilham” ou reagem naturalmente aos sensores de UV. Na verdade, inúmeras bancadas de teste de fabricantes de motor e de transmissão, (motor, transmissão, caixa de transmissão) utilizam sensores de UV para detectar vazamentos e transbordamentos para determinar os níveis de enchimento nos testes de lubrificação realizados antes da instalação.
Familiaridade com os usos: O ingrediente fundamental na verificação de erros
Independentemente do sensor utilizado, saber bem como usá-lo é a coisa mais importante quando o objetivo é um funcionamento eficiente. Um sensor menos adequado utilizado de forma inteligente é muito mais eficiente do que um sensor mais robusto, mas mal utilizado.
Sensores tubulares, planos ou de bloqueio em uma ampla linha de configurações geométricas estão disponíveis para satisfazer as necessidades mecânicas e/ou elétricas específicas, pois, são nestas situações que os qualificados operadores de máquinas, equipes de manutenção e fornecedores de sensores podem fazer uma grande diferença para um aumento da qualidade e da eficiência da linha de montagem do produto. Uma estreita relação de trabalho com seu fornecedor de sensores é fundamental.
Proteção aos sensores: Uma solução para evitar as paradas
Um fator importante para evitar máquinas paradas é a proteção de sensores contra impactos, e em ambientes agressivos como célula de solda, a proteção contra resíduos e calor. Mais uma vez, a experiência na aplicação é a chave para a longa durabilidade do sensor. O impacto é o maior causador do aumento de desgaste do sensor, sendo maior até do que todos os outros fatores combinados. A maior parte das falhas prematuras do sensor é causada por impactos provocados ou acidentais.
Se houver risco do sensor sofrer algum tipo de impacto, propomos cinco soluções básicas:
- Utilizar um sensor mais resistente
- Utilizar um sensor menor mas com mesmo alcance
- Utilizar um sensor com um alcance maior
- Afastar o sensor
- Proteger o sensor usando blocos protetores, protetores para o sensor de proximidade ou outras estratégias semelhantes
Calor
O calor, especialmente aquele encontrado nas células de solda, é um grande problema, não só para os sensores, mas também para seus respectivos cabos e conectores. O acúmulo de resíduos quentes e temperaturas ambientes elevadas geradas nas operações de solda podem reduzir o desempenho do sensor e arruinar a conexão que esteja desprotegida. As células de solda podem consumir grandes quantidades de sensores quando eles não são utilizados de maneira adequada, ou não são protegidos contra o ambiente adverso da solda.
Células de solda robotizadas, automáticas ou semiautomáticas
Como em todos os processos de fabricação, é fundamental que o sensor seja adequado a aplicação. Para manter as células de solda funcionando corretamente, os sensores indutivos de proximidade usados para verificação do encaixe devem resistir à intensidade da carga de impacto. Os sensores tipo indutivos de proximidade revestidos resistem ao acúmulo de detritos de solda (eles também facilitam a remoção de detritos durante os períodos de manutenção programada). Os sensores fotoelétricos devem ter a capacidade de detectar através da fumaça e película oleosa (um alto ganho é fundamental) e a fixação dos sensores deve resistir a todas as agressões listadas acima, além de lidar com choques e vibrações. Tudo deve ficar devidamente abrigado, coberto e controlado para resistir condições rígidas e aumentar o tempo de vida da máquina. O problema é que existem dispositivos que podem atingir esses pré-requisitos, no entanto, eles nem sempre são cogitados no projeto do dispositivo. A substituição de sensores pode gerar grandes prejuízos mensais e despesas de manutenção e máquina parada.
Processos de forja de metais
Os mesmos princípios podem ser aplicados para detecção de erros em processos de conformação. Além de produzir peças com qualidade total, o objetivo é proteger as matrizes contra danos, evitar as paradas e manter a produção sem interrupção. As mesmas tecnologias de detecção são utilizadas na forja de metais e na montagem e automação, mas com diferentes finalidades e usos.
Os sensores digitais são utilizados para monitorar a posição do extrator, a alimentação de chapa, a detecção do furo guia e a detecção da função. Eles também podem ser usados para a detecção de metais e de peças descartadas nas matrizes para correção de erros e prevenção de golpes duplos. Os sensores analógicos de curto alcance medem os ângulos de curvatura e outras dimensões da peça, mas também podem medir por exemplo o paralelismo da prensa. Eles são usados ainda para a verificação e detecção de erros das peças em estações independentes de verificação de erros. Os sensores fotoelétricos podem ser integrados para medir a precisão da alimentação do rolo e detectar as peças e metais descartados.
A tecnologia RFID garante que no processo de forja de metais, os segmentos da matriz estejam posicionados no lugar correto, protegendo as matrizes contra choques antes que ocorra o processo de estampagem. A identificação por radiofrequência também é utilizada para rastreamento de moldes, o que é muito importante quando centenas de tipos são empregados internamente.
O RFID na verificação de erros
Uma produção flexível geralmente envolve várias versões de um produto na mesma linha de produção. As principais características de cada produto fabricado devem ser identificadas e controladas, uma vez que as versões de um produto possuem características únicas para a correção de erros. A maneira mais eficiente de fazer isso é através de um sistema de identificação por rádio-frequência (RFID), que armazena os dados do que foi fabricado em um pequeno suporte de dados e fixados permanentemente no palete.
Os sistemas baseados em sensores de RFID provaram ser especialmente úteis em operações de usinagem onde os dados são incluídos em paletes que se movem dentro e fora das estações de usinagem. Antes do início da montagem, o suporte de dados recebe as informações sobre a produção, que informará a todos os processos de usinagem posteriores qual a versão exata da peça a ser fabricada. A montagem correta também é verificada através da comparação das informações da produção com os erros que os sensores conseguiram detectar. As informa-ções sobre a produção podem ficar centralizadas em cada palete, centralizadas no sistema de controle ou de modo direto, sem intervenção do sistema de controle. Estas diferenças têm um impacto direto sobre o método de comunicação necessário entre o sistema de controle e os suportes de dados.
Quando as informações sobre a produção são mantidas e indicadas centralmente no sistema de controle, uma interface paralela, simples, eco-nômica e somente para leitura pode ser utilizada. Esta interface de 8 bits conecta-se diretamente às entradas do sistema de controle, reduzindo significativamente o tempo de integraçãoO sistema de controle cria um inventário do que foi produzido comparando o número do palete com as listas de inventário que estão no sistema de controle.
Monitorando as informações de fabricação/Identificação do palete
Uma produção flexível requer a capacidade de fabricar várias versões do produto na mesma linha. Como várias versões do produto têm características únicas para a correção de erro, deve-se conhecer a versão exata a ser fabricada.
Estes sistemas de identificação são organizados conforme o nível de complexidade exigido para o uso em questão. Eles podem ser um simples sistema paralelo “somente para leitura” de 8 bits ou um tipo “escrita e leitura”. As informações sobre a produção são gravadas no suporte de dados antes do início da montagem. O sistema de montagem lê as informações sobre a produção em cada estação para determinar qual conjunto e qual correção de erros que a operação precisa realizar. Como alter-nativa, os resultados reais dos testes são carregados no suporte de dados para serem arquivados posteriormente. Estes sistemas podem ler e gravar dados usando vários protocolos padrão, incluindo ProfiBus, DeviceNet e Ethernet.
Sensores e RFID formam um grupo na área de retrabalho
A tecnologia dos sensores e da RFID unem-se também para minimizar os erros no processo de retrabalho. Já, as etiquetas RFID localizadas na conjunto ou no palete, controlam exatamente o que deve ser feito e o que foi feito dentro de cada ilha de automação. Quando um subconjunto com problema atinge a área de retrabalho, a tag RFID identifica o retrabalho que precisa ser feito e em seguida, aciona os respectivos sensores da área (localizados talvez em uma chave de torque) utilizando o software de posicionamento espacial. Isto significa que o trabalho feito com essas ferramentas só vai até local correto se estiver na sequência correta, de forma que o procedimento de reparo correto é a única ação que pode ser adotada. Neste caso, o operador humano torna-se o acionador, recebe orientação do software, recebe informações da etiqueta RFID e é controlado pelos sensores.
O que vem depois da detecção: evolução na interface entre a Visualização/Sensor
Conforme já apresentado, a maior parte das verificações de erro dos sensores digitais funciona melhor quando uma peça produzida é automa-ticamente posicionada para ser inspecionada. Isso deve ser feito exatamente da mesma forma paraque os sensores possam apontar para um aspecto específico de uma peça e verificar se a etapa de produção aconteceu da forma correta, ou se a peça foi rejeitada. Em geral, a inspeção baseada na visão precisa de um equipamento muito mais caro para assemelhar-se ao método obsoleto de inspeção em linha ou ao método de inspeção automatizada final. Por outro lado, o método visual tem as vantagens de poder inspecionar as peças em várias posições em relação à câmera e inspecionar mais de um fator ao mesmo tempo, como a aparência, presença/ausência, dimensão e posicionamento.
Agora, os fornecedores de sensores estão disponibilizando sensores mais sofisticados e técnicas de uso mais eficientes e menos dispendiosas que os dos grupos deavanço até a curva rumo a soluções visuais. Enquanto isso, os fornecedores de sensores de visão estão tentando expandir a linha em relação ao sensor digital. Porém, em vez de um choque de tecnologias, um novo tipo de tecnologia está vindo à tona e junta o que há de melhor ambas as tecnologias. Agora, um usuário que tenha pouco conhecimento sobre o sistema de visão pode utilizar um nível de detecção superior a um custo inferior, o que faz com que estes novos sensores ópticos sejam mais fáceis de usar em um verdadeiro esquema de correção de erros.
Tecnologia de visão simplificada
Este novo sensor óptico baseado em visão, preenche a lacuna que existia ao fornecer uma maneira simples, prática e rentável de verificar erros. Isso é conseguido ao verificar simultaneamente os vários aspectos do produto por meio de um único dispositivo que usa uma única interface de confi guração e que pode ser rapidamente adquirida e utilizada pela equipe interna. Os novos sensores ópticos com uma configuração simplificada e várias ferramentas de inspeção/medição oferecem várias opções de detecção para fornecer mais informações do que uma única função “câmera inteligente” ou um sensor digital padrão. Ao mesmo tempo, eles evitam as armadilhas financeiras dos complexos sistemas de visão e a necessidade de conhecimentos complexos para a realização de uma correção de erros confiável e segura.
Este novo tipo de sensor baseado na visão é utilizado mais como um sensor inteligente do que como um sistema de visão. Da mesma forma que um sensor, ele é configurado para procurar por determinados atributos de uma peça ou produto para ter a certeza de que aspectos específicos do produto estejam presentes, que a peça foi configurada corretamente e até mesmo verificar sua posição. Mas, diferente de um sensor digital, o sensor óptico não precisa que a peça seja apresentada exatamente da mesma maneira em cada inspeção, reduzindo assim os custos. E diferente de um sensor digital e ao assumir o lugar de vários sensores, ele pode buscar por várias características ao mesmo tempo, e cada um deles só pode verificar uma coisa, o que justifica seu custo com um retorno sobre o investimento que é maior e mais rápido. Ao utilizar um feixe de detecção menos tradicional, estes sensores ópticos também reduzem significativamente a complexidade e o custo da verificação de erros e ganham em confiabilidade. Isto abre novas perspectivas na verificação de erros, perspectivas estas que antes não estavam disponíveis para reduzir os tempos de parada programados, facilitar as trocas de linhas e promover uma acomodação mais flexível ou uma produção “sob medida”.
Conclusão
Se sua empresa não está usando algumas dessas técnicas, você corre o risco de ser deixado para trás na corrida para a sobrevivência do sector de produção. A Balluff está disposta a ajudar. Entre em contato conosco se quer ajuda para a verifi cação de erros ou para resolver um problema específico de verificação de erros. Lembre-se, para a verificação de erros, o sensor é a solução.
