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EDUARDO PINTO
SISTEMA INTELIGENTE PARA ESPECIFICAÇÃO
DO APERTO IDEAL EM OPERAÇÕES DE
PARAFUSAMENTO.
Dissertação apresentada para obtenção do Título
de Mestre em Engenharia Mecânica da
Universidade de Taubaté,
Área de Concentração: Automação Industrial e
Robótica.
Orientador: Luiz Octávio Mattos dos Reis
Taubaté – SP
2005
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EDUARDO PINTO
SISTEMA INTELIGENTE PARA ESPECIFICAÇÃO DO APERTO IDEAL
EM OPERAÇÕES DE PARAFUSAMENTO.
UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ, TAUBATÉ, SP
Data: 05 de Março de 2005
Resultado: Aprovado
COMISSÃO JULGADORA
Prof. Dr. Leonardo Mesquita, UNESP – Guaratinguetá
Assinatura_____________________
Prof. Dr. Luiz Octávio Mattos dos Reis, UNITAU – Taubaté
Assinatura_____________________
Prof. Dr. Ronaldo Rossi, UNITAU – Taubaté
Assinatura_____________________
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Dedico este trabalho a (ao)
Minha família pelo apoio e incentivo para alcançar este objetivo.
Minha esposa Andréa Roder Pinto
Meu pai Claudio Pinto
Minha mãe Maria Apparecida Pracidelli Pinto
Meu sogro Luiz Carlos Roder
Minha sogra Maria Silvia Vidor Roder
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Dr. Luiz Octávio Mattos dos Reis, pela habilidade com que orientou este
trabalho.
A empresa M. Shimizu, por ceder o laborátorio para testes e realização de experimentos.
A empresa Atlas Copco, por fornecer a literatura sobre o assunto abordado.
Ao meu cunhado Luis Antonio Roder, por realizar a revisão ortográfica da dissertação.
Aos meus colegas de trabalho que contribuiram nas pesquisas e testes laboratoriais.
Ao meu amigo José Carlos da Silva pelo companheirismo durante o curso.
SUMÁRIO
Resumo .............................................................................................................................1
Abstract .............................................................................................................................2
Introdução .........................................................................................................................3
Capítulo 1 – Revisão da Literatura
1.1 - Conceitos e Definições de Inteligência Artificial..........................................5
1.2 - Comparação entre Inteligência Artificial e Inteligência Natural ..................6
1.3 - Campo da Inteligência Artificial ..................................................................8
1.4 - Sistema Especialista (SE) .............................................................................9
1.4.1 – O Elemento Humano...............................................................................10
1.5 - Sistema Baseado em Conhecimento (SBC) ...............................................12
1.5.1 – Conceitos e Definições ...........................................................................12
1.5.2 - Arquitetura do SBC .................................................................................14
1.5.2.1 – Base do Conhecimento ........................................................................15
1.5.2.2 – Motor de Inferência .............................................................................16
1.5.2.3 – Interface com o Usuário .......................................................................18
1.5.2.4 – Representação do Conhecimento .........................................................19
1.5.3 – Aplicações do SBC .................................................................................21
1.6 - Ferramentas utilizadas para criação de Sistemas Baseados em
Conhecimento .....................................................................................................24
1.7 - Conceitos e Definições sobre Tecnologia do Aperto..................................27
1.7.1 – Força de União ou Força Inicial de Montagem ......................................27
1.7.2 – Tipos de Rosca, Parafusos e Porcas ........................................................31
1.7.2.1 – Tipos de roscas.....................................................................................31
1.7.2.2 – Parafusos...............................................................................................32
1.7.2.3 – Porcas....................................................................................................35
1.7.3 - Tipos de Juntas ........................................................................................36
1.7.3.1 – Introdução.............................................................................................36
1.7.3.2 – Juntas Rígidas.......................................................................................36
1.7.3.3 – Juntas Flexíveis.....................................................................................37
1.7.4 - Parâmetros Básicos de Controle de Aperto..............................................38
1.7.4.1 – Torque...................................................................................................38
1.7.4.2 – Torque e Ângulo...................................................................................40
1.7.5 - Tipos de Equipamentos Utilizados em Fixações......................................43
1.7.5.1 – Chave Manual.......................................................................................43
1.7.5.2 – Chaves de Impacto e Impulso...............................................................43
1.7.5.3 – Apertadeiras..........................................................................................44
1.7.5.4 – Parafusadeira elétrica............................................................................45
1.7.6 – Calibração de Torque no Processo de Manufatura..................................46
1.8 - Conceitos de Estatística...............................................................................47
1.8.1 - Definição de Histograma ......................................................................47
1.8.2 - Definição de Capacidade do Processo...................................................52
1.8.2.1 – Análise de Capacidade..........................................................................53
1.8.2.2 – ĺndice de Capacidade............................................................................54
Capítulo 2 – Proposição ..................................................................................................57
Capítulo 3 – Material e Método
3.1 – Lista de Material .........................................................................................59
3.2 – Método........................................................................................................60
3.2.1 – Avaliação do comportamento do equipamento.......................................60
3.2.2 – Pesquisas nos processos de manufatura...................................................61
3.2.3 – Programação do Sistema Especialista – SEVAT.....................................62
Capítulo 4 – Resultados e Discussão
4.1 – Análise estatística do comportamento do equipamento para uma junta pré-
estabelecida....................................................................................................69
4.2 - Tempo para cálculo e definição dos parâmetros de torque pelo engenheiro
versus consulta automática no banco de dados “SEVAT”............................75
4.3 - Validação do Sistema Especialista “SEVAT”............................................77
Capítulo 5 – Conclusão....................................................................................................83
Referências Bibliográficas...............................................................................................85
LISTA/DEFINIÇÕES/SÍMBOLOS
"6σ" – Seis Sigma
"CEP" – Controle Estatístito do Processo
"CP" – Capacidade do Processo
"CPK" – Capabilidade do Processo
"IA" – Inteligência Artificial
"LIE" – Limite Inferior de Engenharia
"LSE" – Limite Superior de Engenharia
"SE" – Sistema Especialista
"SBC" – Sistema Baseado em Conhecimento
"Staff" – Departamento de uma empresa que desenvolve produtos e suporta os usúarios.
"Delphi" – Linguagem de programação computacional
"Shell" – Ferramenta computacional utilizada para criar banco de dados.
"ISO" – Internacional Standard Organization
"ABNT" – Associação Brasileira de Norma Técnica
"DIN" – Deutche Industrie Normalization
"Bits" – Ferramenta usada para apertar parafusos.
"Socket" – Ferramenta com sextavada interno usada para apertar parafusos.
"ISO TS16949" – Norma que rege o sistema de qualidade da indústria automobilística.
CNF – Fator de Confiança
CLP – Controle Lógico Programável
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Aplicando o conceito de IA no computador.................................................5
Figura 1.2 – As disciplinas da IA e suas aplicações..........................................................8
Figura 1.3 – Estrutura de um sistema especialista...........................................................10
Figura 1.4 – Sistema baseado em conhecimento versus sistema especialista.................14
Figura 1.5 – Arquitetura do sistema baseado em conhecimento.....................................15
Figura 1.6 – Árvore de regras..........................................................................................17
Figura 1.7 – Forças em uma junta parafusada.................................................................27
Figura 1.8 – Força de união função do coeficiente de atrito...........................................30
Figura 1.9 – Característica de proporcionalidade de fixação..........................................30
Figura 1.10 – Exemplo de parafuso com classe 8.8........................................................33
Figura 1.11 – Exemplo de junta rígida............................................................................36
Figura 1.12 – Comportamento da junta rígida................................................................37
Figura 1.13 – Exemplo de junta flexível.........................................................................37
Figura 1.14 – Comportamento de uma junta flexível......................................................38
Figura 1.15 – Definição de torque...................................................................................39
Figura 1.16 – Força de união função do alongamento.....................................................41
Figura 1.17 – Região plástica e elástica...........................................................................42
Figura 1.18 – Processo de aperto por torque e ângulo.....................................................42
Figura 1.19 – Histograma................................................................................................48
Figura 1.20 – Curva de gauss..........................................................................................49
Figura 1.21 – Intervalo (a,b)............................................................................................50
Figura 1.22 – Interpretação de histograma 1...................................................................51
Figura 1.23 – Interpretação de histograma 2...................................................................51
Figura 1.24 – Interpretação de histograma 3...................................................................52
Figura 1.25 – Gráfico de controle……………………………………………………...53
Figura 1.26 – Itens produzidos fora da especificação.....................................................54
Figura 1.27 – Processo descentralizado..........................................................................55
Figura 3.1 – Malha aberta e fechada...............................................................................60
Figura 3.2 – Fotos dos testes laboratoriais para coleta dos valores de torque................61
Figura 3.3 – Informações sobre a base de dados............................................................63
Figura 3.4 – Cadastro das variáveis e valores.................................................................64
Figura 3.5 – Definição da variável objetivo....................................................................65
Figura 3.6 – Definição das perguntas de interface com usuário......................................66
Figura 3.7 – Cadastro de nova regra de produção...........................................................67
Figura 3.8 – Edição de uma regra de produção...............................................................68
Figura 3.9 – Regra de produção editada e cadastrada na base de dados.........................68
Figura 4.1 – Planilha para coleta de dados, torque (Nm)................................................69
Figura 4.2 – Comportamento do equipamento parafusadeira eletrônica.........................70
Figura 4.3 – Comportamento do equipamento parafusadeira elétrica.............................71
Figura 4.4 – Comportamento do equipamento parafusadeira pneumática......................72
Figura 4.5 – Comportamento do equipamento torquímetro analógico...........................73
Figura 4.6 – Tempo de operação no processo de montagem..........................................74
Figura 4.7 – Tela inicial do sistema “SEVAT”...............................................................77
Figura 4.8 – Tela de escolha da criticidade de junta.......................................................78
Figura 4.9 – Tela de especificação do parafuso..............................................................79
Figura 4.10 – Tela de definição da classe do parafuso...................................................80
Figura 4.11 – Tela de definição da lubrificação do parafuso..........................................81
Figura 4.12 – Tela de apresentação dos resultados.........................................................82
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 – Principais diferenças entre os sistemas convencionais e os sistemas
baseados em conhecimento...............................................................................................13
Tabela 1.2 – Características de algumas ferramentas de apoio.........................................25
Tabela 1.3 – Características de algumas “Shells”.............................................................26
Tabela 1.4 – Módulo de elasticidade de alguns materiais.................................................29
Tabela 1.5 – Diferentes classes de parafusos (ISO 898/1)................................................34
Tabela 1.6 - Distribuição de frequências do diâmetro interno de uma haste, em mm......48
Tabela 1.7 – Correlação entre os conceitos de Cp e Cpk..................................................56
Tabela 3.1 – Lista de materiais..........................................................................................59
Tabela 3.2 – Coleta de dados nos processos de manufatura.............................................62
Tabela 4.1 – Resultado do experimento cálculo versus consulta......................................76
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1.1 – Força de tração inicial (Fi)........................................................................28
Equação 1.2 – Constante elástica......................................................................................28
Equação 1.3 – Força de união (Fu)...................................................................................29
Equação 1.4 – Definição de torque...................................................................................38
Equação 1.5 – Cálculo da capacidade do processo (Cp)..................................................54
Equação 1.6 – Cálculo da capabilidade do processo (Cpk).............................................55
Equação 4.1 – Força de união (Fu) aplicação...................................................................75
RESUMO
Este trabalho de pesquisa aborda especificamente as técnicas de parafusamento
para junção de materiais. O setor industrial utiliza essas técnicas nos processos de
fabricação, principalmente na área automotiva, que ao manufaturar um veículo efetua
aproximadamente 3000 apertos.
O controle dos parâmetros é fundamental na fixação dos componentes,
considerando que a criticidade das juntas envolve segurança, confiabilidade e satisfação
do usuário. Os parâmetros de aperto em alguns casos mais específicos são definidos
através de experiência prática, utilizando-se equipamentos como parafusadeira, porém a
maioria dos problemas é resolvida através de cálculos matemáticos com equações
baseadas em teorias, que consideram todos os fatores influentes na junção, tais como: o
tipo de junta, a especificação do parafuso e a condição de fixação desejada que são
características críticas na determinação da força de união adequada entre as superfícies,
para obter-se o valor de torque adequado.
Considerando-se a importância de controlar os parâmetros de aperto, foi
desenvolvido um sistema inteligente, denominado por “SEVAT” (Sistema Especialista
para Valores de Torque), que utiliza uma ferramenta computacional "Shell"
desenvolvida no ambiente "Delphi" que especifica a condição de aperto ideal a partir
dos dados armazenados. Esse sistema utiliza também a inferência, com parâmetros pré-
definidos que funcionam como interpretador e direcionam rapidamente a tomada de
decisão.
Palavras-chave: Sistema Inteligente, Controle de Parâmetros, Força de União, Torque e
Junta.
2
ABSTRACT
This work presents an approach to the tigthtening techniques specifically to
materials join. The industrial area utilize this techniques on the manufacturing process,
mainly of automotive area that make a vehicle to carry out 3000 tights approximately.
The parameters control is fundamental on the components join, considering that
joint criticity involve safety, reability and customer satisfaction. The tigthtening
parameters in a specific cases are defined through experience practice using the
equipments like screwdrives, however, the most of problems is resolved through
matematics calculus, with the equations based in theories that considering all the
influential factors joints, factors like: joints type, bolts and screw specification and the
best tigthtening condition, are critical characteristics on the adequate clamping force
determination to obtain the correct torque value.
Considering the importance of control tigthtening parameters, was development
a intelligence system, denominate “SEVAT” (Specialist System to Torque Values),
through the computacional tool “Shell” with the programming language in “Delphi” that
specify the ideal tigthtening condition from stored datas, and using the inference, with
the parameters pre-established, working like “filters” and quickly direct a make
decision.
Key-words: Intelligence System, Parameters Control, Clamping Force, Torque and
Joint.
3
INTRODUÇÃO
A indústria automobilística atualmente faz uso de diversos tipos de materiais
para manufaturar um veículo automotor, esses materiais por sua vez passam por
processos de montagem, que necessitam de tratamento específico e manuseio adequado,
tornando-se componentes essenciais para formação do produto. Após essas operações,
inicia-se o processo de montagem no veículo, onde esses componentes precisam ser
fixados, utilizando-se técnicas de junção de materiais, como rebitagem, soldagem,
parafusamentos, prensagem, entre outras operações.
O foco de estudo deste trabalho, baseia-se, especificamente, em operações de
parafusamento para fixação desses componentes, visto que, é uma das técnicas mais
utilizada na indústria automobilística.
A complexidade é grande para definir os parâmetros de aperto para aplicação
nas operações de parafusamento, pois existem diversas condições de montagem,
formando juntas rígidas e flexíveis, como: fixação de "Alumínio com Plástico", "Aço
com Aço", "Aço com Alumínio", "Aço com Plástico", "Plástico com Plástico", “Aço
com Borracha”, entre outras, além dos diversos tipos de parafusos, como: parafusos de
cabeça cilíndrica com sextavado interno, parafusos de cabeça sextavada com flange e
sem flange, parafusos Tribolar, parafuso "high low", etc..., com esta condição, é
necessário ter conhecimento técnico especializado, considerando a experiência do
engenheiro para definir a condição ideal de parafusamento. Os parâmetros de aperto são
vitais para garantir a perfeita fixação desses componentes e o perfeito funcionamento do
veículo, além de garantir a segurança do usuário.
Esses parâmetros de aperto precisam ser controlados para garantir a perfeita
junção das partes unidas e para isso precisam de métodos confiáveis de controle e que
independam da atenção do operador para monitorar esses dados.
Os objetivos principais deste trabalho, são:
1. Provar estatisticamente que o controle automático dos parâmetros de aperto é
muito mais eficaz que o controle manual.
2. Provar que através da utilização de um banco de dados automatizado é possível
economizar tempo e mão-de-obra especializada para definir os parâmetros de
aperto.
4
Para atingir esses objetivos, serão realizadas pesquisas no chão de fábrica para
coleta dos dados existentes, utilização da literatura atual e consulta aos dados
disponíveis na indústria através de manuais, catálogos e registros, levando em
consideração as diversas aplicações.
Através de pesquisas sobre inteligência artificial, será utilizado uma ferramenta
para criação de um sistema especialista, utilizando-se do conhecimento adquirido e da
experiência do engenheiro para ordernar e estruturar os dados, de forma a tornar a fonte
de pesquisa e tomada de decisão fácil e rápida.
5
Capítulo 1 – Revisão da Literatura
1.1. Conceitos e Definições de Inteligência Artificial.
O principal objetivo da inteligência artificial (IA) é fazer o computador “pensar”.
Porém, para fazer um computador pensar, é necessário que o mesmo execute um
programa “pensante” que também pode ser chamado de programa inteligente.
Os computadores são adaptados para executar esse tipo de tarefa, sendo assim,
os computadores normalmente realizam tarefas tais como: agrupar, armazenar e
recuperar as informações, de modo que isto satisfaz o primeiro requisito para a
inteligência.
Contudo, é exatamente na simulação do raciocínio que a inteligência artificial
(IA) concentra seus esforços.
Allan Turing, em 1936, desenvolveu um teste para determinar se o computador exibe um
comportamento inteligente, o qual chamou de TESTE DE TURING. De acordo com o TESTE
DE TURING, o computador pode ser considerado rápido somente quando há a interferência do
homem conversando entre ambos. A idéia do teste de Turing tem sido desafiada por John
Searle, (Bourbaki,1990), e contradiz com a definição de Rich e Knight (1991). (TURBAN,
Efraim; ARONSON, Jay e., 2001)
As definições e as características de inteligência artificial (IA) estão direcionadas
para a tomada de decisão e solução de problemas, como é mostrado na Figura 1.1.
Figura 1.1 – Aplicando o conceito de IA no computador.
Base de
Conhecimento
Capacidade
de inferência
Entradas
(questões,
problemas,etc.)
Saídas
(respostas,
alternativas,
soluções, etc.)
Computador
6
1.2. Comparação entre Inteligência Artificial e Inteligência Natural.
O Valor potencial da Inteligência Artificial (IA) poder ser melhor entendida pela
comparação com a inteligência natural ou humana (TURBAN, Efraim; ARONSON, Jay e.,
2001). A Inteligência Artificial (IA) tem várias vantagens comerciais importantes:
A Inteligência Artificial (IA) é mais permanente. A inteligência natural é
deteriorada do ponto de vista comercial, pois os profissionais podem trocar o seu
local de trabalho ou esquecer uma informação. Por outro lado, a inteligência
artificial (IA) permanece por um longo tempo no sistema do computador e os
programas permanecem inalterados. Contudo a inteligência artificial tem seu
valor se a inteligência natural for documentada em tempo apropriado.
A Inteligência Artificial oferece fácil duplicação e dissiminação. A
transferência da base de conhecimento de uma pessoa para outra usualmente
requer um processo demorado de aprendizado; então, especialidades podem ser
raramente duplicadas completamente. Por outro lado, quando o conhecimento é
incluído em um sistema de computador, pode ser transferido de um computador
para outro através da internet ou intranet.
A Inteligência Artificial pode ser mais barata que a inteligência natural.
Existem várias circunstâncias em que os custos dos serviços de compras de
computadores são menores do que ter um profissional dedicado para a mesma
tarefa. Isto é verdade quando o conhecimento é dissiminado sobre a "WEB",
onde vários profissionais podem consultar e ter acesso a informações dos quais
não possuem domínio e conhecimento.
A Inteligência Artificial pode ser documentada. Decisões tomadas pelo
computador podem ser facilmente documentadas pelo seguimento de atividades
do sistema. Inteligência Natural é difícil de documentar. Por exemplo, uma
pessoa pode pesquisar e concluir, mas ao passar do tempo pode ser incapaz de
recriar o processo de raciocínio que o conduziu à conclusão, ou regressar às
considerações que fizeram parte da decisão.
7
A inteligência artificial pode com certeza realizar tarefas muito mais rápido
do que um profissional pode.
A inteligência artificial pode com certeza executar tarefas melhor do que
um ou mais profissionais, desde que a base de dados seja consistente e
confiável e os profissionais que a utilizam sejam bem treinados.
Inteligência Natural tem várias vantagens sobre a Inteligência Artificial, como:
Inteligência natural é criativa, ao passo que inteligência artificial é pouco
inspirada. A habilidade de adquirir conhecimento é inerente do ser humano, mas
com IA, o conhecimento deve ser adaptado cuidadosamente no sistema
estruturado.
Inteligência natural permite às pessoas um benefício próprio e usa a
experiência sensorial diretamente, ao passo que a maior parte de sitemas de IA
devem trabalhar com entrada de dados simbólicas e representações.
Talvez o mais importante, o racioncínio humano usa o contexto de experiência
global o tempo todo e dá sustenção aos problemas individuais. Em contraste, sistemas
de IA tipicamente ganham seu poder por terem um foco muito restrito.
A vantagem da inteligência natural sobre a inteligência artificial mostra as várias
limitações aplicadas na tecnologia de inteligência artifical. De qualquer forma, em
vários casos de tecnologia de inteligência artificial mostram melhorias significantes em
produtividade e qualidade.
8
1.3. Campo da Inteligência Artificial.
Inteligência artificial não é para si mesma um campo comercial, é a ciência e
tecnologia (TURBAN, Efraim; ARONSON, Jay e., 2001). IA é uma coleção de conceitos e
idéias que são apropriadas para pesquisa, porém não podem ser comercializadas. Por
outro lado, IA prove o fundamento científico de diversas tecnologias comerciais, como
mostra a Figura 1.2.
Figura 1.2 – As disciplinas da IA e suas aplicações.
Processamento da Linguagem Natural
Algoritimos Genéticos
Entendimento da Linguagem
Programação Automática Aprendizado de Máquina
Inteligência Particular
Sistemas Especialistas
Robótica
Visão por Computador Lógica Fuzzi
Redes Neurais Jogos
Linguística Ciência da Computação
A B C D L N P
E F G H I J K M O
Psicologia Gerenciamento e Ciência
A Psicolinguística I Robótica
B Sociolinguística J Processamento de Imagem
C Linguística Computacional K Reconhecimento Padrão
D Adaptar Sistemas L Gerenciamento
E Psicologia Cognitiva M Matemática / Estatística
F Filosofia N Operações de Pesquisa
G Filosofia da Linguagem O Sistema de Gerenciamento da Informação
H Lógica P Biologia
Filosofia
Sustentação da Inteligência Artificial
Raízes
Aplicações
Engenharia Elétrica
9
1.4. Sistema Especialista (SE).
O nome Sistemas Especialistas (SE) é derivado do termo Sistema Especialista
Baseado em Conhecimento. Algumas definições de sistemas especialistas são citadas
abaixo:
“Um Sistema Especialista captura o conhecimento humano e utiliza-o através do
computador para solução de problemas. Um sistema bem projetado imita o uso do
processo de raciocínio do especialista para resolver problemas específicos” (TURBAN,
Efraim; ARONSON, Jay e., 2001).
“Sistemas Especialistas são Sistemas Baseados em Conhecimento (SBC) que
resolvem problemas ordinariamente resolvidos por um especialista humano”
(REZENDE, Solange, 2003).
Na Figura 1.3, pode-se verificar uma estrutura de um Sistema Especialista
desenvolvido por Efraim e Aronson (2001), onde mostra que existem dois ambientes: o
ambiente de desenvolvimento e o ambiente de consulta.
10
Figura 1.3 – Estrutura de um sistema especialista.
1.4.1 – O Elemento Humano.
O desenvolvimento de um sistema especialista pode ser composto de vários
elementos humanos, no mínimo dois, o construtor e o usuário, além do engenheiro de
conhecimento e o especialista. (TURBAN, Efraim; ARONSON, Jay e., 2001). Abaixo são
descritos as definições destes elementos:
(i) O Especialista:
“É a pessoa que tem acumulado muita habilidade de tratar de problemas em
particular na área chamada de domínio da competência” (WINSTON, 1992).
Ambiente de Desenvolvimento
Base de Conhecimento
Usuário Fatos: O que conhecido sobre a área de domínio
Fatos sobre
um incidente
específico
Regras: Referencia Lógica [Ex, entre sintomas e causas]
Interface com o
Usuário
Facilidade de
Explanação
Conhecimento do
Engenheiro
Ações
Recomendadas
Motor de Inferência Intérprete
Puxar Conclusões Programador
Conhecimento
documentado
Aplicador Consistente
Aquisição do Conhecimento
Local de trabalho
Conhecimento do
Especialista
Plano Agenda
Solução
Descrição do
Problema
Refinamento do Conhecimento
Ambiente de Consulta
11
“É a pessoa que tem um conhecimento especial, julgamento, experiência e
métodos, com a habilidade de aplicar estes talentos e dar conselhos e resolver
problemas” (TURBAN, Efraim; ARONSON, Jay e., 2001).
(ii) A Engenharia do Conhecimento:
“É a pessoa que ajuda o especialista a estruturar o problema, interpretando e
interagindo as respostas humanas para as questões, desenhando analogias, fazendo
contra-exemplos e dando clareza a dificuldades conceituais” (TURBAN, Efraim;
ARONSON, Jay e., 2001).
“A engenheira de conhecimento atua no campo para observar a área de domínio
do especialista, ele formula questões, buscando respostas para situações específicas”
(WINSTON, 1992).
(iii) O Usuário:
Em sistemas especialistas temos várias classes de usuário:
O cliente não especialista que aguarda uma resposta direta. Neste caso, o
sistema especialista atua como consultor ou conselheiro.
Um estudante que quer aprender. Neste caso, o sistema especialista atua
como instrutor.
Um construtor do sistema especialista que quer melhorar ou aumentar a base
de conhecimento. Aqui, o sistema especialista funciona como um parceiro.
Um especialista. O sistema especialista atua como um assistente.
12
(iv) Outros Participantes:
Vários participantes podem ser envolvidos em sistemas especialistas. Por
exemplo, o construtor do sistema ou analista de sistema podem integrar o sistema
especialista com um outro sistema computadorizado. Um construtor de ferramentas
pode prover ou construir ferramentas específicas. Vendedores podem fornecer
ferramentas e dispositivos e o “Staff” pode oferecer suporte e ajuda técnica.
1.5. Sistema Baseado em Conhecimento (SBC).
1.5.1 – Conceitos e Definições.
“Sistemas Baseados em Conhecimento são programas de computador que usam
o conhecimento representado explicitamente para resolver problemas” (REZENDE,
Solange, 2003).
“Sistemas Baseados em Conhecimento são programas desenhados para atuar
como especialista na solução de problemas específicos” (KRISHNAMOORTHY e
RAJEEV, 1996).
Considerando estes conceitos e definições, verifica-se que estes programas
manipulam conhecimento e informação de forma inteligente e são desenvolvidos para
serem usados em problemas que requerem uma quantidade considerável de
conhecimento humano e de especialização. Assim, conhecimento e processo de
resolução de problemas são pontos centrais no desenvolvimento de um Sistema Baseado
em Conhecimento.
Algumas literaturas enfatizam a diferença entre os diversos sistemas, como é
destacado na Tabela 1.1, onde são comparadas as diferenças entre os sistemas
convencionais e os Sistemas Baseados em Conhecimento. Na Figura 1.4, é mostrado as
diferenças entre um Sistema Especialista e o Sistema Baseado em Conhecimento.
(REZENDE, Solange, 2003).
13
Tabela 1.1 – Principais diferenças entre os Sistemas Convencionais e os Sistemas
Baseados em Conhecimento. (Cortesia do livro Sistemas Inteligentes, REZENDE,
Solange, 2003)
Sistemas Convencionais Sistemas Baseados em Conhecimento
Estrutura de Dados Representação do Conhecimento
Dados e Relações entre os Dados Conceitos, Relações entre Conceitos e
Regras
Tipicamente usa algoritmos
determinísticos
Busca Heurística
Conhecimento embutido no código do
programa
Conhecimento representado
explicitamente e separado do programa
que o manipula e interpreta
Explicação do raciocínio é difícil Podem e devem explicar seu raciocínio
Analisando a Tabela 1.1, verifica-se que Sistemas Baseados em Conhecimento
diferem dos Sistemas Convencionais em: como são organizados, como incorporam
conhecimento, como executam e a impressão que causam aos usuários com os quais
interagem.
A diferenças entre os Sistemas Baseados em Conhecimento e os Sistemas
Especialistas podem ser observadas na Figura 1.4. De forma geral, pode se dizer que os
Sistemas Baseados em Conhecimento são capazes de resolver problemas usando
conhecimento específico sobre o domínio da aplicação, enquanto os Sistemas
Especialistas são Sistemas Baseados em Conhecimento que resolvem problemas
ordinariamente resolvidos por um especialista humano. Por isso, requerem
conhecimento sobre a habilidade, a experiência e as heurísticas usadas pelo especialista.
14
Figura 1.4 – Sistema baseado em conhecimento versus sistema especialista.
1.5.2 – Arquitetura do SBC.
“A base de conhecimento e o motor de inferência em uma ou mais formas de
mecanismos de inferência são os maiores componentes de um sistema especialista”
(KRISHNAMOORTHY e RAJEEV, 1996).
Em sistemas especialistas, é necessário armazenar fatos e estes fatos
representam um contexto, que são chamados também de memória de trabalho.
Estes fatos são obtidos através de informações e dados de um especialista, que
utiliza o conhecimento e o contexto para responder as questões, “Como a decisão é
tomada? Ou por que o dado é necessário?”. Este módulo é chamado de facilidade de
explicação e simula o processo de respostas dos “Porquês” e “Como”.
O processo de coleta, organização e compilamento do conhecimento
implementando na forma de base de conhecimento é uma tarefa laboratorial, porém não
é a finalização do desenvolvimento do sistema. A base de conhecimento deve ser
continuamente atualizada, conforme o domínio do conhecimento aumenta.
A facilidade de se adquirir o conhecimento está entre a interface do especialista
e a engenheira de conhecimento, formando um componente do sistema especialista.
O usuário do sistema especialista tem interação no fornecimento de dados,
definindo fatos e monitorando o resultado da solução do problema.
SI (Sistemas Inteligentes)
Exibem Comportamento
Inteligente
SBC
Tornam explícito o
domínio do
conhecimento, além
de separá-lo do
sistema
SE
Aplicam
conhecimento
especializado na
resolução de
problemas difíceis do
mundo real
15
A transmissão da informação pode ser na forma textual ou gráfica, ficando a
critério do usuário. O módulo de interface do usuário é capaz de manusear estas
informações na forma textual ou gráfica. Na Figura 1.5, é mostrado a arquitetura de um
sistema baseado em conhecimento (SBC) com os componentes e como os mesmos
interagem entre si.
Figura 1.5 – Arquitetura do sistema baseado em conhecimento.
Como mostrado na Figura 1.5, o motor de inferência e a base de conhecimento
são os componentes mais importantes num sistema baseado em conhecimento.
1.5.2.1 – Base de Conhecimento.
A base de conhecimento contém um domínio específico do conhecimento
adquirido para solucionar um problema. O conhecimento é criado por um engenheiro de
conhecimento, que conduz uma série de entrevistas e pesquisas com um especialista e
organiza o conhecimento em uma forma que pode ser diretamente usada por um
sistema.
A base de conhecimento inclui dois elementos básicos: 1) Fatos sobre a situação
do problema e teoria sobre a área do problema, e 2) Heurísticas especiais ou regras que
Interface do
Usuário
Contexto
Fatos Fatos
Facilidade de
Explanação
Motor de
Inferência
Conhecimento
Conhecimento
Aquisição do
Conhecimento
Base de
Conhecimento
Dados
Conhecimento
Explanação
Usuário
Especialista
16
direcionam o uso do conhecimento para solucionar problemas específicos (TURBAN,
Efraim; ARONSON, Jay e., 2001).
Os conhecimentos para solução de problemas em engenharia podem ser
classificados em três categorias: 1) Conhecimento compilado, 2) Conhecimento
qualitativo e 3) Conhecimento quantitativo (KRISHNAMOORTHY e RAJEEV, 1996).
Informalmente, uma base de conhecimento é um conjunto de representações de ações e
acontecimentos do mundo. Cada representação individual é chamada de sentença. As sentenças
são expressas em uma linguagem específica, chamada de linguagem de representação de
conhecimento [Russel & Norvig, 1995]. Liguagem de representação de conhecimento baseia-se
em diferentes técnicas de representação, como: regras de produção, redes semânticas, frames,
lógicas e programas convencionais. (REZENDE, Solange, 2003).
1.5.2.2 – Motor de Inferência.
O cérebro do sistema especialista é o motor de inferência, também conhecido
como estrutura de controle ou interpretador de regras. Este componente é essencial num
programa de computador que disponibiliza uma metodologia para raciocínio sobre a
informação na base de conhecimento. Este componente mostra direções sobre como
usar o sistema de conhecimento, desenvolvendo uma agenda que organiza e controla os
passos tomados para solucionar os problemas.
Existem basicamente dois modos de raciocínio aplicáveis a regras de produção
(BITTENCOURT, 1995):
1. Encadeamento progressivo ou encadeamento a frente (do inglês, “forward
chaining”),
2. Encadeamento regressivo ou encadeamento para trás (do inglês, “backward
chaining”).
No encadeamento progressivo, também chamado encadeamento dirigido por
dados, a parte esquerda da regra é comparada com a descrição da situação atual, contida
na memória de trabalho. As regras que satisfazem a esta descrição têm sua parte direita
17
executada, o que, em geral, significa a introdução de novos fatos na memória de
trabalho.
No encadeamento regressivo, também chamado encadeamento dirigido por
objetivos, o comportamento do sistema é controlado por uma lista de objetivos. Um
objetivo pode ser satisfeito diretamente por um elemento da memória de trabalho ou
podem existir regras que permitam inferir algum dos objetivos correntes, isto é, que
contenham uma descrição deste objetivo em suas partes direitas. As regras que
satisfazem esta condição têm as instâncias correspondentes às suas partes esquerdas
adicionadas à lista de objetivos correntes. Caso uma dessas regras tenha todas as suas
condições satisfeitas diretamente pela memória de trabalho, o objetivo em sua parte
direita é também adicionado à memória de trabalho. Um objetivo que não possa ser
satisfeito diretamente pela memória de trabalho, nem inferido através de uma regra, é
abandonado. Quando o objetivo inicial é satisfeito, ou não há mais objetivos, o
processamento termina.
A hipótese de uma regra pode ser usada como evidência para outra, assim é
possível construir uma hierarquia de evidências, regras e hipóteses (WINSTANLEY,
1991), como representado na Figura 1.6.
Figura 1.6 – Árvore de regras.
Metas Dados
Encadeamento Progressivo
Encadeamento Regressivo
18
O motor de inferência controla a atividade do sistema. Esta atividade ocorre em
ciclos, cada ciclo consistindo em três fases (BITTENCOURT, 1995):
1. Correspondência de dados, onde as regras que satisfazem a descrição da situação
atual são selecionadas.
2. Resolução de conflitos, onde as regras que serão realmente executadas são
escolhidas dentre as regras que foram selecionadas na primeira fase e ordenadas.
3. Ação, a execução propriamente dita das regras.
As principais vantagens dos sistemas de produção como método de
representação de conhecimento são (WATERMAN, 1986): modularidade, uniformidade
e naturalidade.
As principais desvantagens são: ineficiência em tempo de execução e
complexidade do fluxo de controle que leva à solução dos problemas. Neste caso, para
sistemas complexos que possuem uma grande quantidade de variáveis e que necessitam
de uma análise e triagem das informações para tornar o sistema mais otimizado.
Estas vantagens e desvantagens determinam as características que devem ter os
domínios que se adaptam ao desenvolvimento de Sistemas Especialistas Baseados em
Conhecimento:
1. Ser descrito por um conhecimento consistindo em um conjunto muito grande de
fatos parcialmente independentes;
2. Dispor de métodos de solução consistindo de ações independentes, e;
3. Apresentar uma nítida separação entre conhecimento e ação.
1.5.2.3 – Interface com o Usuário.
A interface é responsável pela comunicação entre o Sistema Baseado em
Conhecimento e o usuário, proporcionando intermediações entre a representação interna
do sistema e a representação mental do usuário.
Diferentes tipos de linguagens podem ser usados na interface de um Sistema
Baseado em Conhecimento. Inicialmente procurou-se construir interfaces que
utilizassem a linguagem natural do usuário, por exemplo, o português (REZENDE,
19
Solange, 2003). Isso é inviável porque o uso amplo e abrangente de processamento de
linguagem natural é um problema computacionalmente difícil quanto ao tratamento.
Algumas técnicas tornam a interface com o usuário mais amigável, por exemplo,
o uso de janelas, menus, gráficos de alta resolução, animação, cores, etc. De todo modo,
as telas a serem apresentadas ao usuário devem ser de fácil compreensão e as
explicações necessárias devem ser claras e diretas (BITTENCOURT, 1995).
Podem-se citar mais algumas características para interfaces com o usuário:
1. Disponibilidade de diversos tipos de interfaces, adaptadas ao tipo de usuário
(iniciante, especialista);
2. Possibilidade de interromper a execução do sistema em um determinado ponto e
poder retomá-la sem necessidade de re-processamento;
3. Mensagens de erro claras e informativas;
4. Possibilidade de alterar certas entradas ao sistema e comparar os resultados
obtidos;
5. Capacidade de capturar e armazenar telas de execução. Os aspectos considerados
críticos foram: facilidade para explicação e documentação.
1.5.2.4 – Representação do Conhecimento.
A variedade de esquemas de representação de conhecimento tem sido
desenvolvida ao longo dos anos, esses esquemas possuem duas características comuns
(TURBAN, Efraim; ARONSON, Jay e., 2001):
1. Podem ser programados com linguagens de computador existentes e
armazenados na memória;
2. São desenhados para que fatos e conhecimentos contidos neles possam ser
usados no raciocínio.
Uma representação do conhecimento pode ser entendida como uma forma
sistemática de estruturar e codificar o que se sabe sobre uma determinada aplicação.
(REZENDE, Solange, 2003). Existem diversas técnicas de representação do
20
conhecimento e para avaliar essas técnicas existem alguns critérios, dos quais os
principais são:
1. Adequação lógica que observa se o formalismo usado é capaz de expressar o
conhecimento que se deseja representar,
2. Conveniência notacional, que verifica as convenções da linguagem de
representação. Se essas forem muito complicadas, a tarefa de codificação torna-
se extremamente complexa.
Alguns poucos Sistemas Especialistas possuem os chamados sistemas híbridos
de representação de conhecimento (NEBEL e VON LUCK, 1987) que, além de possuir
diversos formalismos de representação, dispõem também de algoritmos de acesso que
integram os conhecimentos representados nos diversos formalismos para permitir sua
utilização de maneira integrada.
Os esquemas de representação de conhecimento mais utilizados são:
1. Regras de produção;
2. Redes Semânticas;
3. “Frames”.
Esta pesquisa trata especificamente de regras de produção. A seguir é
apresentada a definição de regras de produção.
(i) Regras de Produção:
Os primeiros Sistemas Baseados em Conhecimento, foram sistemas baseados em regras
[Buchanan & Shortliffe, 1984]. Esses sistemas se inspiraram na idéia que o processo de tomada
de decisão humano poderia ser modelado por meio de regras do tipo se “condições” e então
“conclusões e ações”. (REZENDE, Solange, 2003).
Em programação baseada em regras, usa-se um motor de inferência para
manipular regras e fatos e produzir novos fatos, o que significa que pode posteriormente
usar novas regras até chegar a um resultado final.
21
Essas regras são simplesmente um conjunto de condições no estilo
SE<Condições>ENTÃO<conclusões>, com a possibilidade de inclusão de conectivos
lógicos relacionando os atributos no escopo do conhecimento e o uso de probabilidades
(manual do Expert SINTA, 1995).
As regras de produção são muito utilizadas por possuírem as seguintes
vantagens:
1. Modularidade: cada regra, por si mesma, pode ser considerada como uma peça
de conhecimento independente;
2. Facilidade de edição (uma conseqüência da modularidade): novas regras podem
ser acrescentadas e antigas podem ser modificadas com relativa independência;
3. Transparência do Sistema: Garante maior legibilidade da base de
conhecimentos.
Portanto, é preciso ter em mente que a modularidade de um sistema baseado
nessa arquitetura permite a construção passo-a-passo da base de conhecimentos, ou seja,
é possível realizar vários testes com apenas um subconjunto de regras concluído.
Exemplo de aplicação da regra de produção:
Regra 1: SE iniciar um conflito internacional
ENTÃO o preço do ouro sobe
Regra 2: SE o índice de inflação cair
ENTÃO o preço do ouro cai
Em um sistema que utiliza regras de produção, o número de regras não precisa
necessariamente ser estipulado, pois o sistema pode possuir uma base de dados
otimizada.
1.5.3 – Aplicações do SBC.
Sistemas Baseados em Conhecimento têm sido aplicados em diversos ramos,
como negócios, medicina, ciência e engenharia. É importante ressaltar que os métodos
22
de resolução de problemas utilizados pelos SBCs freqüentemente variam de uma classe
de problemas para outra.
A seguir, são mostrados alguns exemplos de aplicações de SBCs, adquiridos de
artigos publicados nas diversas áreas de atuação.
(BULLINGER, WARSCHAT, FISCHER, 1991) desenvolveu um sistema
baseado em conhecimento para selecionar materiais para construção de
novos materiais. Este sistema suporta o projetista na seleção do material
ideal, observando os padrões técnicos de cura do material, selecionando
alternativas técnicas e econômicas, auxiliando na decisão final.
(SIANG, CHAN, 1991) desenvolveu um sistema especialista baseado em
conhecimento para selecionar rolamentos em projetos de engenharia
mecânica. Através da representação do conhecimento utilizando regras de
produção, o sistema "R1-XCON" é capaz de sugerir a melhor aplicação,
analisando as características operacionais dos rolamentos e sua aplicação no
momento do projeto de máquinas e equipamentos.
(BATANOV, NAGARUR e NITIKHUNKASEM, 1993) desenvolveu um
sistema baseado em conhecimento para gerenciamento de manutenção. O
sistema, chamado de "EXPERT-MM", é utilizado na industria Siam Gipsum
(Bangkok, Thailand) e suporta três funções principais: Sugestões de
supervisão da manutenção, diagnósticos de máquina e programação da
manutenção. A base de conhecimento possui 154 (cento e cinqüenta e
quatro) regras para diagnósticos e 54 (cinquenta e quatro) regras para
selecionar o modelo de manutenção.
(LUNN, ARCHIBALD, REDFEARN, ROBINSON, BAMIGBOYE, COPE
e HIRD, 1991) desenvolveu um sistema especialista para formulação de
óleos lubrificantes na utilização em motores automotivos. O sistema
"XCON" auxilia na tomada de decisão através de regras de produção, o qual
mistura conhecimento heurístico e raciocínio causal, com isso facilita a
formulação da decisão a ser tomada.
23
(VOLVO, 2002). A montadora Volvo utilizou a inteligência artificial para
controlar continuamente o chassis do veículo S60 R. O sistema "FOUR C",
atualiza a posição de cada amortecedor, baseando-se nas informações
continuamente coletadas sobre a velocidade do carro, o giro das rodas, o
movimento do chassi e a posição do volante. O sistema, então, ajusta
rapidamente a ação dos amortecedores e o controle eletrônico do sistema de
tração 4x4.
(ALANI, KIM, MILLARD, WEAL, HALL, LEWIS, SHADBOLT, 2003)
desenvolveu um sistema baseado em conhecimento para extrair documentos
da "WEB". O projeto "Artequakt" une a ferramenta de extração do
conhecimento com a antologia para alcançar o suporte contínuo do
conhecimento e guiar a extração da informação.
(FREITAS, PRADO, BATISTA NETO e NAKAMITI, 1999) utilizou a
inteligência artificial para sequenciar automaticamente às ações para a
produção de peças em uma célula flexível de manufatura. Para isto,
desenvolveu três sistemas integrados, sendo um pré-processador "INCEL",
um planejador "PLANCEL-E" e um pós-processador "POSCEL-E". Com
estes sistemas integrados, foi possível explorar o uso da abordagem de
planejamento baseada em casos em domínio voltado à automação industrial.
etc...
Estes exemplos citados são aplicações práticas de um SBC e é possível citar
vários trabalhos utilizando esta ferramenta de inteligência artifical. O que tem se notado
atualmente é que há um grande crescimento na utilização da tecnologia de sistemas
baseados em conhecimento e com isso destacam-se linguagens de representação de
conhecimento, como programas e “hardware” especialmente projetados para auxiliar no
desenvolvimento e execução de sistemas baseados em conhecimento.
24
1.6. Ferramentas utilizadas para criação de Sistemas Baseados em
Conhecimento.
A construção de um Sistema Baseado em Conhecimento é facilitada usando-se
linguagens que ofereçam uma variedade de estruturas, tanto de dados quanto de controle
(REZENDE, Solange, 2003).
Atualmente, é possível dizer que estas ferramentas são divididas em dois
grandes grupos:
1. Ferramentas de apoio: geralmente oferece vários esquemas de representação de
conhecimento, monitoramento de inferência, estratégias para resolução de
problemas, bem como interfaces para aquisição de conhecimento e explicação.
2. "Shells": geralmente oferecem um esquema de representação de conhecimento e
motor de inferência, com interface e estratégia para resolução de problemas
prefixada.
As ferramentas de apoio são mais flexíveis e possuem generalidades maior,
fornecendo vários recursos, porém exige do engenheiro um maior conhecimento em
linguagem de programação. Por outro lado, as "Shells" permitem ao engenheiro de
conhecimento definir seus próprios mecanismos de controle, porém por serem mais
restritas, tendem a ser mais simples e fáceis de serem entendidas e usadas. As Tabelas
1.2 e 1.3 mostram algumas características das ferramentas de apoio e das "Shells"
encontradas no mercado (fonte: Sistemas Inteligentes, fundamentos e aplicações,
Solange Oliveira Rezende, 2003).
As linguagens mais utilizadas em programação de sistemas baseados em
conhecimento são: COBOL, Pascal, C, C+, C++, PROLOG e LISP, e mais
recentemente o ambiente DELPHI.
A Universidade Federal do Ceará desenvolveu uma “Shell” chamada de Expert
SINTA, com base de programação em delphi.
Esta ferramenta computacional utiliza técnicas de Inteligência Artificial para
geração automática de sistemas especialistas. O Expert SINTA utiliza um modelo de
representação do conhecimento baseado em regras de produção e probabilidades, tendo
como objetivo principal simplificar o trabalho de implementação de sistemas
especialistas através do uso de uma máquina de inferência compartilhada, da construção
25
automática de telas e “menus”, do tratamento probabilístico das regras de produção e da
utilização de explicações sensíveis ao contexto da base de conhecimento modelada. O
Expert SINTA possui outras características, sendo: Utilização de encadeamento
regressivo “backward chaining”, utilização de fatores de confiança, ferramentas de
depuração e possibilidade de incluir ajudas “on-line” para cada base.
Tabela 1.2 – Características de algumas ferramentas de apoio.
Ferramentas
ART Babylon KEE Knowledge
Craft
Loops Flex Elements
Enviroment
Atributos
Frames
sim sim sim sim sim sim sim
Relações do sistema sim sim sim sim sim sim sim
Relações do usuário não não não sim não sim sim
Orientação a objetos limitado sim sim sim sim sim sim
Demons
limitado sim sim sim sim sim sim
Regras sim sim sim sim sim sim sim
Organização hierárquica não Limitado sim não limitado não não
Integração
frames
não não sim não não sim sim
Fatores de certeza não não não não sim não não
Forward Chaining sim sim sim sim sim sim não
Backward Chaining sim sim sim não não sim sim
Contexto (mundos) sim não sim limitado não não não
Manutenção de verdade sim não sim não não não não
Editor interno sim não sim sim sim sim sim
Help sim sim sim sim sim sim sim
Trace and break point sim sim sim sim sim sim sim
Medida de desempenho sim não não não sim limitado não
Interface gráfica sim limitado sim sim sim não sim
Referências cruzadas não não não não sim não sim
Controle de versões não não não não sim não não
Companhia
Inference GMD Intellicorp Carnegie
Group
Xerox LPA-
Prolog
Neuron Data
Representação do Conhecimento
Motores de Inferência
Auxílio ao Desenvolvimento
Distribuidor
26
Tabela 1.3 – Características de algumas “Shells”.
Para desenvolvimento deste sistema baseado em conhecimento, foi utilizada a
ferramenta Expert SINTA, visto que atende aos requerimentos básicos para criação do
sistema especialista.
Shell
Insigth KES MED2 M.1 Clips Personal
Consultant
S.1 Timm
Atributos
Interpretação limitado limitado limitado limitado sim limitado sim Limitado
Diagnóstico sim sim sim sim sim sim sim sim
Monitoramento não não limitado limitado sim não não sim
Planejamento não não não limitado sim não não não
Projeto não não não limitado limitado não limitado não
Frames não não não não sim sim limitado não
Demons não não não sim sim sim sim não
Regras sim sim sim sim sim sim sim sim
Forward Chaining sim não sim limitado sim limitado limitado sim
Backward Chaining sim sim limitado sim não sim sim não
Editor da BC sim não limitado sim sim sim sim não
Verificação de consistência não não não sim não não sim sim
Trace sim sim sim não sim sim sim sim
Facilidade de explicação sim sim sim sim sim sim sim sim
Companhia
Level 5-R
Software
A&E
Inware Tecknowledge
Domínio
Público
T1 Tecknowledg
e
GRC
Classe de Problema
Representação da Base de Conhecimento
Motor de Inferência
Distribuidor
Auxílio ao Desenvolvimento
27
1.7. Conceitos e definições sobre Tecnologia do Aperto.
Algumas definições sobre a tecnologia do aperto que inclui os parâmetros de
controle de aperto e os elementos que fazem parte do sistema de fixação, encontradas na
literatura, normas e em manuais de equipamentos dentro da indústria são apresentados
abaixo.
1.7.1. Força de União ou Força Inicial de Montagem.
É a força que mantêm unidas as partes de uma junta, capaz de anular todas as
cargas externas, conforme mostra a Figura 1.7 (ATLAS COPCO, 2004).
Figura 1.7 – Forças em uma junta parafusada (cortesia ATLAS COPCO).
Na junção de duas ou mais peças existem diversos fatores que são considerados
para cálculo e dimensionamento do correto sistema de fixação através da utilização de
parafusos.
28
(i) O conceito de Força de tração inicial (Fi), extraído do LIVRO ÓRGÃOS DE
MÁQUINAS (RODRIGUES e LUIZ,1984], mostra estes fatores através da utilização
da equação 1.1:
+
=
KcKp
Kc
CFeFi (1.1)
Onde:
Kp = constante elástica do parafuso;
Kc = constante elástica das partes comprimidas;
C = coeficiente da carga de abertura; varia entre 1,2 e 2;
Fe = carga externa (tração) no parafuso em kg.
As constantes elásticas do parafuso e das partes comprimidas (k) são calculadas
conforme equação 1.2:
Equação 1.2 – Constante elástica (k):
L
AE
k =
==
= (1.2)
Onde:
A = área da seção transversal;
E = módulo de elasticidade (módulo de Young) do material;
L = comprimento sendo tracionado ou comprimido
A lei da proporcionalidade ou lei de Hooke é representada pelo diagrama Tensão
contra Deformação, no qual é estabelecida uma função do tipo σ = E . ε, onde E é a
constante de proporcionalidade, conhecida como módulo de elasticidade ou módulo de
29
Young e é uma característica de cada material, como mostra a Tabela 1.4. (Fonte:
Laboratório de medições mecânicas/UFRGS, Prof°. Milton A. Zaro).
Tabela 1.4 – Módulo de elasticidade de alguns materiais.
Metal E (kgf/mm)
Cobre 11.900
Alumínio 7.000
Aço carbono 21.000
Ferro fundido modular 14.000
Bronzes e latões 7.700 a 11.900
(ii) O conceito de Força de união (Fu) extraído da literatura, pertencente à
empresa Atlas Copco Tools and Assembly Systems, leva em consideração
características específicas em uma junta parafusada, como mostra a equação 1.3:
KDmGdP
M
Fu
µµ
5,0258,016,0 ++
= (1.3)
Onde:
Fu = Força de união;
M = Torque Aplicado;
P = Passo da rosca;
µG = Coeficiente de atrito da rosca;
µK = Coeficiente de atrito da cabeça do parafuso;
d2 = Diâmetro primitivo;
Dm = Diâmetro médio da cabeça do parafuso.
30
Uma variação no atrito entre 0,10 (ligeiramente oleado) e 0,18 (seco), a variação
da Força de união chega até 100%, como mostra a Figura 1.8.
Fu
µ
0
0
0,10
0,15 0,20
50
100
150
Figura 1.8 – Força de união função do coeficiente de atrito.
Na maioria das aplicações em juntas parafusadas, encontramos a seguinte
característica de proporcionalidade para fixações, como mostrado na Figura 1.9:
Figura 1.9 – Característica de proporcionalidade de fixação.
31
1.7.2 – Tipos de Rosca, Parafusos e Porcas.
1.7.2.1 – Tipos de roscas.
Rosca é uma saliência de secção constante e variável na semelhança disposta em
hélice na superfície interna ou externa de um cilindro ou um cone.
Os elementos de que é composta uma conexão filetada formam um par
helicoidal, isto é, um par parafuso-rosca.
As roscas, bem como os parafusos e porcas seguem uma padronização conforme
normas, como exemplo, ISO, ABNT, DIN, entre outras. Dentre os tipos de roscas mais
utilizados na indústria, é possível citar os seguintes:
Rosca métrica de perfil triangular ISO;
Rosca cilíndrica na qual o filete é disposto em uma superfície
cilíndrica;
Rosca cônica na qual o filete é disposto em uma superfície cônica;
Roscas Whitworth – Gás;
Rosca trapezoidal;
Rosca dente de serra.
Um elemento roscado é definido de maneira completa, considerando as
seguintes características:
Perfil;
Diâmetro nominal da rosca;
Passo;
Forma da superfície (cilíndrica ou cônica);
Número de entradas;
Sentido de enrolamento da hélice;
Comprimento do espaço útil.
32
Considerando estas características e de acordo com a norma ABNT/NB8-65, que
concordam com a recomendação ISO/R 128, é possível especificar as roscas da seguinte
forma:
M8: rosca métrica ISO de perfil triangular, a passo grosso (1,25 mm), tendo
diâmetro nominal de 8 mm.
¾ W: rosca Whitworth com diâmetro ¾” = 19,050 mm.
G ¾: rosca gás cilíndrica, com diâmetro de rosca 26,441 mm.
1.7.2.2 – Parafusos.
Algumas definições sobre parafusos encontradas na literatura são apresentadas
abaixo:
“Parafuso é um eixo cilíndrico parcialmente ou completamente filetado, munido,
pelo menos, de uma cabeça em uma extremidade; a forma da cabeça deve permitir a
fixação do parafuso e eventualmente constituir um apoio que deve ser rigorosamente
perpendicular ao eixo do parafuso propriamente dito”. (Fonte: Desenho Técnico
Mecânico, volume 2: MANFÉ, POZZA, SCARATO).
“O parafuso é um mecanismo simples que encontra uma infinidade de usos. Ele
não serve apenas para prender peças, mas pode ser usado em configurações que
transmitem força e movimento”. (BRAGA, N.C, 2004).
33
Os parafusos são encontrados numa gama muito vasta de tipos para os mais
variados empregos. Em geral na indústria, os tipos mais encontrados são:
Parafusos de cabeça hexagonal;
Parafusos de cabeça cilíndrica com hexágono embutido;
Parafusos com entalhe de cabeça cilíndrica;
Parafusos com entalhe de cabeça vazada plana;
Parafusos com entalhe de cabeça cilíndrica com calota;
Parafusos com entalhe de cabeça vazada com entalhe;
Os parafusos com rosca métrica, que são os mais utilizados na indústria,
principalmente a automobilística, seguem uma classe, que definem suas características
mecânicas e diretrizes de uso, conforme a norma ISO 898/1.
A qualidade dos materiais dos parafusos é padronizada, ou seja, quanto esforço
de tensão um parafuso pode ser exposto antes que o ponto de escoamento (Yield Point)
seja alcançado e antes que ocorra a quebra. Todos os parafusos devem ser marcados de
acordo com sua classificação – um padrão que usa um sistema de dois dígitos, no qual o
primeiro dígito refere-se a força de tensão mínima em 100 N/mm² e o segundo dígito
indica a relação entre o ponto de escoamento “Yield Point” e a força de tensão mínima.
A Figura 1.10, mostra um exemplo de parafuso com classe 8.8 e seu
comportamento com relação a resistência à tensão de ruptura e a Tabela 1.5 mostra as
diferentes classes de parafusos.
Figura 1.10 – Exemplo de parafuso com classe 8.8. (cortesia ATLAS COPCO).
34
Tabela 1.5 – Diferentes classes de parafusos (ISO 898/1).
Torque Padrão (Nm)
Rosca
3.6 4.6 4.8 5.8 8.8 10.9 12.9
M1.6
0.05 0.065 0.086 0.11 0.17 0.24 0.29
M2
0.10 0.13 0.17 0.22 0.35 0.49 0.58
M2.2
0.13 0.17 0.23 0.29 0.46 0.64 0.77
M2.5
0.20 0.26 0.35 0.44 0.70 0.98 1.20
M3
0.35 0.46 0.61 0.77 1.20 1.70 2.10
M3.5
0.55 0.73 0.97 1.20 1.90 2.70 3.30
M4
0.81 1.10 1.40 1.80 2.90 4.00 4.90
M5
0.60 2.20 2.95 3.60 5.70 8.10 9.70
M6
2.80 3.70 4.90 6.10 9.80 4.0 17.0
M8
8.90 10.50 15.0 24.0 33.0 40.0
M10
17.0 21.0 29.0 47.0 65.0 79.0
M12
30.0 36.0 51.0 81.0 114.0 136.0
M14
48 58 80 128 181 217
M16
74 88 123 197 277 333
M18
103 121 172 275 386 463
M20
144 170 240 385 541 649
M22
194 230 324 518 728 874
M24
249 295 416 665 935 1120
M27
360 435 600 961 1350 1620
M30
492 590 819 1310 1840 2210
M36
855 1030 1420 2280 3210 3850
M42
1360 2270 3640 5110 6140
M45
1690 2820 4510 6340 7610
M48
2040 3400 5450 7660 9190
Classificação do Parafuso
35
1.7.2.3 – Porcas.
A definição sobre porcas encontrada na literatura é apresentada abaixo:
“Porcas podem ser consideradas como parafusos fêmeas constituindo a cabeça
removível de um parafuso ou um prisioneiro”. (Fonte: Desenho Técnico Mecânico,
volume 2: MANFÉ, POZZA, SCARATO).
Distinguem-se porcas prismáticas, cilíndricas e manobravéis a mão. As porcas,
da mesma forma que os parafusos, seguem normas e complementam um sistema de
fixação, dependendo do tipo de aplicação.
As porcas com roscas métricas ISO, também são as mais utilizadas na indústria,
a seguir são citados alguns tipos de porcas:
Porcas hexagonais;
Porcas hexagonais com entalhe;
Porcas hexagonais fechadas com calota esférica;
Porcas quadradas;
Porcas cilíndricas;
Porcas tipo borboleta;
Porcas serrilhadas;
Porcas com alças (olhais).
36
1.7.3 – Tipos de Juntas.
1.7.3.1 – Introdução.
Um dos fatores que influencia na escolha do sistema de aperto é a criticidade da
junta.
Obviamente, as juntas roscadas são as mais críticas por estarem relacionadas à
segurança. A falha de uma destas juntas, freqüentemente referenciadas como juntas
Classe A, podem resultar numa catástrofe ou lesão corporal. Exemplos são rodas, freios
e caixas de direção hidráulica.
Intermediário, ou juntas Classe B, são relativas à confiabilidade. Falhas nestas
juntas podem resultar deficiência de um equipamento. Exemplos são juntas parafusadas
em motores e transmissões.
Juntas Classe C e D são relativas à satisfação do cliente. A falha em uma destas
juntas pode causar um irritante rangido, vazamento ou barulho.
1.7.3.2 – Juntas Rígidas.
Conforme a norma ISO 5393, uma determinada junta é considerada rígida
quando o torque final é alcançado após rotação de 30° a partir do ponto de encosto, ou
seja, união das partes aparafusáveis. A Figura 1.11 mostra um exemplo de junta rígida e
na Figura 1.12 o seu comportamento relacionando o torque e ângulo.
Figura 1.11 – Exemplo de junta rígida (cortesia M. Shimizu).
37
Figura 1.12 – Comportamento da junta rígida (cortesia ATLAS COPCO).
1.7.3.3 – Juntas Flexíveis.
Conforme a norma ISO 5393, uma junta flexível é aquela que na qual o torque
final é alcançado após uma rotação mínima de 720° a partir do encosto. A Figura 1.13
mostra um exemplo de junta flexível e na Figura 1.14 o seu comportamento
relacionando o torque e ângulo.
Figura 1.13 – Exemplo de junta flexível (cortesia M.Shimizu).
38
Figura 1.14 – Comportamento de uma junta flexível (cortesia ATLAS COPCO).
1.7.4 – Parâmetros Básicos de Controle de Aperto.
1.7.4.1 – Torque.
A norma ISO 5393 é um padrão internacional que especifica o método para teste
de performance dos equipamentos rotativos em elementos roscados. Abaixo é mostrado
a definição de torque fornecida pela norma.
“Torque é o produto da força de aperto e a distância perpendicular entre a linha
da força e o centro do parafuso”. (ISO 5393, 1994). Equação 1.4.
Ou seja:
FxRT
=
(1.4)
Onde:
T = Torque
F = Força aplicada
R = Distância entre a Força aplicada e o centro do parafuso.
39
Este conceito pode ser visualizado na Figura 1.15, onde é conclusivo que quanto
maior a distância para a mesma força aplicada, maior será o torque produzido no eixo.
Figura 1.15 – Definição de torque (cortesia ATLAS COPCO).
A unidade de torque pelo Sistema Internacional (SI) é dada por:
Nm (Newton x metro)
Outras unidades podem ser utilizadas, como:
Kgf.m (Kilograma força x metro); Sistema Métrico
Lb.ft (Libras x pé quadrado); Sistema Americano
Lb.in (Libras x polegada); Sistema Americano
Pode-se utilizar para conversão destas unidades em Nm os seguintes valores
(Dados Técnicos - TOHNICHI, 1999):
40
1 Kgf.m (Kilograma força x metro) = 9,81 Nm
1 Lb.ft (Libras x pé quadrado) = 1,36 Nm
1 Lb.in (Libras x polegada) = 0,113 Nm
1.7.4.2 – Torque e Ângulo.
Definição de ângulo fornecida pela ISO 5393.
“Ângulo: Medição do deslocamento angular a partir do momento em que o
parafuso é girado até o seu destino final” (ISO 5393, 1994).
A unidade é expressada em graus geométricos (°).
O torque de aperto é o critério normalmente usado para especificar a pré-tensão
no parafuso. O torque, ou o momento da força, pode ser medido pelo método dinâmico,
enquanto o parafuso é apertado, ou estático, verificando o torque com um torquímetro
após o aperto.
Com o avanço da eletrônica e o desenvolvimento de novos materiais, as
indústrias passaram a utilizar parafusos com dimensões menores, diante deste cenário,
exigiu-se o desenvolvimento de uma técnica de aperto que envolve além do pré-torque
também um ângulo de giro, elevando assim a força de união.
O controle de ângulo de giro baseia-se na relação que existe entre o alongamento
(deformação linear) e o ângulo de giro da cabeça/porca do parafuso. Desta forma, as
influências dos atritos ficam minimizadas, sendo somente relacionadas ao que se chama
de “momento de ligação”.
As especificações de torque variam consideravelmente dependendo das
demandas de qualidade da junta. Exemplo: uma junta de segurança em um veículo
automotor, tal como a suspensão da roda, não pode falhar, por outro lado, uma simples
fixação de uma porca com parafuso para ajuste de um dispositivo não é considerado
importante do ponto de vista de força de união.
Portanto, o ângulo de giro do parafuso ou porca numa junção carregada será
determinado em função da elasticidade do parafuso e da junta.
41
Quando a junta é apertada, o giro do parafuso ou porca cria uma força de tensão
no parafuso Fs e uma força de união Fu nas peças unidas, conforme mostra a Figura
1.16. Devido as forças, o parafuso é alongado e as partes da junta são comprimidas.
A compressão da junta (δu) e o alongamento do parafuso (δs) podem ser unidos
graficamente para uma forma triangular, gerando uma resultante final do alongamento
que pode ser utilizada para determinar o ângulo de aperto.
Figura 1.16 – Força de união função do alongamento (Cortesia M.Shimizu).
Uma junta apertada estará sempre sujeita a assentamento das superfícies durante
a operação e uma deformação pode ocorrer na junta de vedação.
Conhecendo a elasticidade das juntas e do parafuso, bem como o tipo de cabeça
adequada para aquela junta, obtem-se grande precisão no aperto em qualquer faixa de
utilização do mesmo (plástica ou elástica).
Observando a Figura 1.17, nota-se que as vantagens do método são melhores na
zona plástica do parafuso, devido ao achatamento da curva Torque x Ângulo, garantindo
sempre a geração da força requerida. (Fonte: Manual Tecnologia de Fixação,
M.SHIMIZU, 1996).
A desvantagem para parafusamento na zona plástica é a necessidade de um
parafuso/porca especial, suficientemente dúctil e de grande alongamento, com
reaproveitamento restrito. O ângulo é normalmente determinado em testes de
laboratório.
42
Figura 1.17 – Região plástica e elástica (Cortesia M.Shimizu).
Depois de um assentamento seguro, com torque suficiente para que as partes
obtenham o momento de ligação, o parafuso é girado até um ângulo determinado, como
mostrado na Figura 1.18.
Figura 1.18 – Processo de aperto por torque e ângulo (cortesia ATLAS COPCO).
43
1.7.5 – Tipos de Equipamentos Utilizados em Fixações
1.7.5.1 – Chave Manual.
O aperto manual com chave é a forma mais primitiva criada pelo homem e ainda
hoje é o método mais comumente utilizado nas oficinas mecânicas de reparo. A grande
variedade de parafusos e aplicações torna difícil a introdução das mesmas ferramentas
utilizadas no processo de produção. O aperto com chave manual permanecerá
dominante nas oficinas de reparo e, neste método, a habilidade do mecânico é de grande
importância para se obter o melhor resultado.
1.7.5.2 – Chaves de Impacto e Impulso.
As chaves de impacto e impulso são pneumáticas e atualmente são leves e muito
produtivas. O seu funcionamento é composto por um sistema de batidas em intervalos
de tempo sincronizados, onde através de um conjunto martelo/bigorna transmite-se
pulsos de torque para a fixação. Com este sistema pode-se atingir torques altos e de
reação intermediária para o operador. Entretanto as chaves de impacto e impulso têm
gradativamente mudado dos processos de produção para as oficinas de reparo, devido às
seguintes razões:
a) O barulho, especialmente em algumas aplicações, é muito alto. Em um
número cada vez maior de países, a legislação não permite o nível de ruído
acima de 80 dBA, já em uma oficina de reparo, este nível de ruído é
permitido, visto que o tempo de exposição é bem menor em relação ao
processo de produção.
b) A precisão não é muito exata em torno de 20 e 30% e é muito influenciada
pela a habilidade do operador. Para processos de produção que exigem
precisão no aperto, é necessário 100% do controle de torque estático com
torquímetro manual.
44
1.7.5.3 – Apertadeiras.
A utilização de apertadeiras no método de fixação é executado com atrito
dinâmico durante todo o processo. A verificação do torque deve ser feita utilizando-se
um transdutor rotativo de torque, desta forma a precisão da ferramenta e do aperto pode
ser julgada. Quando a verificação é feita posteriormente, existe uma mudança do
coeficiente de atrito dinâmico para estático e mesmo o assentamento ocorre, o que pode
alterar drasticamente o valor e variação de torque comparado com o torque dinâmico
instalado. As seguintes ferramentas podem ser classificadas como apertadeira:
a) Apertadeiras Angulares: Utilizando-se apertadeiras angulares, o operador
pode suportar as forças de reação, quando ferramentas de embreagem são
utilizadas. Para torques altos e juntas elásticas, pode-se utilizar braços de
reação para evitar riscos ao operador e danos pessoais. A precisão deste
equipamento está em torno de 10 a 15%.
b) Apertadeiras Tipo Pistola: A apertadeira de pistola deve ter uma barra de
reação para absorver o torque de reação. O torque que pode ser suportado
pelas mãos é de apenas 4 a 5 Nm, acima deste é recomendado um suporte de
punho.
c) Apertadeiras com rosca sem fim: Este tipo de apertadeira é similar a
apertadeira angular, porém há uma diferença importante, a rosca sem fim é
auto-travante, o que significa que pode ser utilizada como chave manual. As
chaves tipo catraca, também trabalham desta maneira.
d) Apertadeiras Múltiplas: Os fusos dessas apertadeiras são projetados para
múltiplo uso. O tipo de apertadeira múltipla mais simples é a “Stall”. Como
um número de fixadores são apertados ao mesmo tempo, a reação de torque
é absorvida com o esforço lateral nos fusos. No momento do projeto de um
sistema de fixação utilizando apertadeiras múltiplas, este fator deve ser
levado em consideração, para não danificar os mancais dos fusos.
45
e) Apertadeira Tipo “Shut off”: Esta apertadeira faz parte do processo evolutivo
do tipo “Stall”, sendo que por meio de um sistema de desligamento
controlado esta máquina ao atingir o torque esperado sinaliza em esforço de
reação ao operador. A precisão deste equipamento é em torno de 6 a 8%.
f) Apertadeira hidro-pneumática: Esta apertadeira produz baixa reação ao
operador, baixo nível de ruído e, como todas as apertadeiras pulsantes, não
são aconselhadas para utilização em juntas flexíveis, pois pode-se atingir o
ponto de desligamento da ferramenta sem que se tenha o valor exato ou bem
próximo do objetivo pré-estipulado. A precisão desta ferramenta está em
torno de 10 a 20%.
As apertadeiras utilizam um painel onde está o controlador (Servo), responsável
pelas informações de torque, ângulo, velocidade e outras informações que serão
necessárias para o funcionamento da apertadeira. Estes painéis possuem também saída
de dados, porta de comunicação para computadores, saída para impressora, entrada e
saída para ligação em rede dos painéis e conector para o cabo da máquina.
1.7.5.4 – Parafusadeira elétrica.
Este tipo de parafusadeira possui um sistema de desligamento através de
embreagem e é utilizada para operações de baixo torque, no máximo 5 Nm. A sua
alimentação pode ser através de bateria acoplada à parafusadeira ou através de
alimentação 220 Volts com controlador de pontos, facilitando o manuseio em processos
produtivos. A sua precisão está em torno de 8 a 9%.
46
1.7.6 – Calibração de Torque no Processo de Manufatura.
O método para calibração do torque é definido pelo padrão internacional (ISO
5393, 1994), onde essa norma reconhece que a medição dos valores de torque podem
ser feitos durante o processo de aperto de uma determinada junta, o qual é chamado de
torque dinâmico.
O processo de calibração do equipamento para verificação do valor de torque
especificado, segue as seguintes etapas:
a) Selecionar o transdutor de torque de acordo com a faixa de torque especificado.
b) Acoplar o transdutor de torque entre a parafusadeira e a ponta de aperto utilizando o
adaptador adequado para cada tipo de parafusadeira.
c) Acoplar ao transdutor de torque o coletor de dados para leitura dos valores de torque.
d) Acertar o fundo de escala do coletor de dados para ser compatível com o transdutor
de torque.
e) Inserir os limites de torque no coletor de dados considerando a especificação de
engenharia definida para a operação.
f) Realizar (10) dez apertos e anotar os valores de torque que aparecem no visor do
coletor de dados. Tenha cuidado ao realizar o teste para não deixar o transdutor de
torque inclinado em relação ao eixo da parafusadeira e a ferramenta. Também evite
solavancos no transdutor de torque durante a medição, pois estas variáveis interferem na
medição do torque.
g) Verificar se o valor de desvio de leitura esta dentro do limite de ±5% do torque alvo,
estando dentro dos limites o equipamento não necessita de calibração. Caso o desvio de
leitura esteja fora do limite de ±5%, ajustar o equipamento e realizar mais (10) apertos
anotando os valores de torque conforme descrito na etapa "f".
h) Realizar as etapas "f" e "g" até que o desvio de leitura fique dentro do limite de ±5%
do torque alvo.
47
1.8. Conceitos de Estatística
Estatística é a parte da matemática em que se investigam os processos de
obtenção, organização e análise de dados sobre uma população ou sobre uma coleção de
seres quaisquer, e os métodos de tirar conclusões e fazer predições com base em dados
amostrais (BRANDÃO, 1997). A palavra Estatística vem de “Status” – (Estado em
Latim).
Há 3000 anos A.C. já se faziam censos na Babilônia, China e Egito, no livro
Números da Bíblia, fala sobre Moisés fazer um levantamento dos Homens de Israel que
estivessem aptos a guerrear.
No século XVII foi usado nas tábuas de mortalidade, que até hoje são usadas
pelas companhias de seguros.
A estatística é aplicada em diversas áreas, como a medicina, agricultura,
economia e finanças, serviços, indústrias bélicas e aeroespacial, seguradoras, comércios,
processos de manufatura, etc...
Dentre as técnicas mais utilizadas em estatística, pode-se citar: Histogramas,
Cartas de controle estatístico do processo (CEP), Diagrama de Pareto, Diagrama de
Dispersão, Cartas de tendência, capacidade do processo (CP,CPK) e percentagem.
Para apresentar os resultados deste trabalho, serão utilizadas as técnicas de
histograma e capacidade do processo, tendo a seguir uma revisão mais detalhada.
(Fonte: Apostila de Conceitos Estatísticos, Visteon Sistemas Automotivos, 1997).
1.8.1 – Definição de Histograma
Histograma é um gráfico de barras que envolve a medição de dados e mostra a
sua distribuição. O histograma também apresenta quanto de variação existe em qualquer
processo.
Repare que as técnicas estatísticas visam resumir e organizar informações
provindas de um conjunto de dados. A utilização dessas técnicas permite estudar um
fenômeno sem considerar os números individualmente e desta forma possibilita análises
coerentes e decisões seguras.
48
Uma forma muito utilizada de resumir um conjunto de dados é através da
classificação das observações em intervalos de classes, também chamada distribuição de
frequências.
Os principais estágios na construção de uma distribuição de frequências são:
Estabelecer as classes ou intervalos de grupamento dos dados;
Enquadrar os dados nas classes;
Contar o número de observações em cada classe;
Apresentar os resultados numa tabela como abaixo.
Tabela 1.6 - Distribuição de frequências do diâmetro interno de uma haste, em mm.
Observe que a partir da Tabela 1.6 de distribuição de frequências é possível
construir um gráfico como mostra a Figura 1.19, o qual chama-se histograma.
0
5
10
15
20
25
30
3.85-
4.35
4.85-
5.35
5.85-
6.35
6.85-
7.35
no. peças
Figura 1.19 – Histograma.
Classes Frequência %
3.85 - 4.35 2 4
4.35 - 4.85 7 14
4.85 - 5.35 15 30
5.35 - 5.85 14 28
5.85 - 6.35 6 12
6.35 - 6.85 5 10
6.85 - 7.35 1 2
49
Muitos fenômenos apresentam histograma semelhante ao caso acima
apresentado, diferindo apenas na média e no desvio-padrão (variabilidade das
observações), ou seja, a medida central e a dispersão podem ser diferentes, preservando
entretanto, a forma padrão.
Karl F. Gauss (1777 - 1855) constatou que essa distribuição poderia ser
aproximada por uma função matemática representada na Figura 1.20, que lembra a
forma de um sino:
10
15
20
25
30
0
5
3.85-
4.35
4.85-
5.35
5.85-
6.35
6.85-
7.35
no. peças
Figura 1.20 – Curva de gauss
Por isso, deu-se o nome de “distribuição Gaussiana” ou distribuição Normal.
Repare que a distribuição matemática constitui uma boa aproximação dos dados reais e
que a probabilidade de alguma observação estar próxima à média (na parte central da
distribuição) é alta. Por outro lado, observações próximas à cauda são menos prováveis
e portanto não esperadas.
50
A partir da caracterização da distribuição normal teórica (média µ e desvio-
padrão σ) é possível prever a quantidade de observações que estarão em um certo
intervalo (a,b), pois está diretamente relacionado com a probabilidade associada a esse
intervalo, ou seja, a área hachurada do gráfico, mostrado na Figura 1.21.
a b
Figura 1.21 – Intervalo (a,b)
É importante ressaltar que a “distribuição Gaussiana” é muito utilizada e a
compreensão das suas características é importante. Entretanto, também existem muitas
distribuições de dados que não se aproximam da Gaussiana e portanto devem ser
estudadas de forma diferente. Um teste de aderência verifica se os dados provêm de
uma distribuição normal, mas apenas a análise do histograma já denuncia este desvio,
como mostrado nas Figura 1.22, 1.23 e 1.24.
51
Verifique alguns casos clássicos:
Figura 1.22 – Interpretação de histograma 1 (cortesia VISTEON).
Figura 1.23 – Interpretação de histograma 2 (cortesia VISTEON).
Situação ideal - Dispersão baixa em
relação a tolerância, o centro da curva
coincide com o nominal
da especificação
(Ex. Cpk=1.67 )
Manter a melhoria
Descentralizado em relação ao nominal,
produção de peças além da especificação
superior na população. Provável
inspeção e retirada de peças além da
espec. na amostra. Requer a
centralização da média com o nominal
LSE
Nominal
Dispersão alta – Probabilidade de
produção de peças além do
especificado. Requer a redução da
variação e não necessita de
deslocamento da média.
LIE
LSE
Distribuição truncada – O lote
provavelmente sofreu uma inspeção
100% , onde foram retiradas as peças
além do LSE – Não há o ajuste a
distribuição normal.
LIE
52
Figura 1.24 – Interpretação de histograma 3 (Cortesia VISTEON).
1.8.2 – Definição de Capacidade de Processo.
O Controle Estatístico de Processos tem a finalidade de observar o
comportamento de um processo qualquer de forma científica. Desta forma, as análises e
reações são padronizadas eliminando então a intervenção no processo baseada em
conclusões pessoais.
A ferramenta criada pelos estatísticos para essa análise é o gráfico de controle,
que utiliza a teoria da distribuição normal para definir os limites de controle, ou seja, a
região sob a qual se espera encontrar as observações de interesse. Veja o gráfico na
Figura 1.25:
Possível manipulação de dados
que estavam além do LSE.
Não há o ajuste à distribuição
normal.
Possível falta de
discriminação
( resolução ) do instrumento de
medição. Não há o ajuste à
distribuição normal.
LIE
LSE
53
Figura 1.25 – Gráfico de controle (cortesia VISTEON).
Observe acima que o gráfico de controle está baseado na teoria da distribuição
Gaussiana, pois caracterizando a curva normal como feito acima é possível definir os
limites de controle. Repare que um ponto fora dos limites de controle é muito pouco
provável, já que a distribuição teórica associada ao gráfico (representação a esquerda da
figura acima) mostra não haver pontos com esta condição. Portanto, pode-se atribuir
uma causa especial a um ponto fora dos limites de controle ou a padrões não-aleatórios
e, nestes casos, ações corretivas devem ser tomadas com a finalidade de tornar o
processo estável novamente.
1.8.2.1 – Análise de Capacidade.
Os índices de capacidade (principalmente Cp e Cpk ) foram criados para auxiliar
os não-estatísticos a analisar eficientemente a proporção de itens produzidos fora das
especificações, uma vez que o processo tenha adquirido estabilidade. Para isto, é
necessário parametrizar a distribuição observada (média e desvio padrão) e calcular a
proporção de itens produzidos fora do intervalo de controle especificado. Observe
Figura 1.26 abaixo:
54
L S E
L I E
e s p e c i f i c a ç ã o
6 s i g m a
Figura 1.26 – Itens produzidos fora da especificação (cortesia VISTEON).
O processo acima produziu alguns itens fora das especificações como pode ser
observado pela área hachurada e é importante perceber que se o processo é estável, esse
comportamento se manterá inalterado se nenhuma ação corretiva for tomada.
1.8.2.2 – Índices de Capacidade.
O Cp é um índice de 1ª geração usado para analisar se um processo é capaz. Este
parâmetro medirá se a variação natural do processo (6σ) é maior que o intervalo
especificado pela engenharia. Portanto, sempre que o Cp for maior que a unidade,
significa que 6σ < (intervalo especificado) e então conclui-se que o processo é capaz.
Equação 1.5.
C
ES EI
p
=
−
6
σ
(1.5)
onde:
Cp = Capacidade do processo
ES : Especificação Superior
EI : Especificação Inferior
σ : Desvio padrão do processo
55
Entretanto, o Cpk também deve ser considerado na análise de capacidade, pois
não adianta a variação natural do processo (6σ) ser menor que o intervalo especificado
se essa distribuição não estiver centrada como mostrado no gráfico abaixo, Figura 1.27:
esp e cific a ç ã o
6 sig m a
µ
Figura 1.27 – Processo descentralizado (cortesia VISTEON).
Portanto o Cpk
mede se o processo está centrado ou não em relação às
especificações. No caso acima, esse índice será menor que a unidade, já que o processo
não está centrado e podemos observar rejeições que estão representadas pela área
hachurada. O Cpk é calculado pela equação 1.6.
C Min
EI ES
pk
=
− −
µ
σ
µ
σ
3 3
,
(1.6)
onde :
Cpk = Capabilidade do processo
EI = Especificação Inferior
ES = Especificação Superior
µ = Média dos pontos
σ = Desvio padrão do processo
56
Então sempre que Cp
e Cpk
forem maiores que a unidade o processo será
capaz. Um processo é considerado capaz em 4σ quando Cpk
> 1,67.
Na Tabela 1.7, pode-se correlacionar o conceito dos índices de Cp
e Cpk
e
avaliar o seu resultado.
Tabela 1.7 – Correlação entre os conceitos de Cp e Cpk.
Atualmente, com o avanço da informática, é fácil e rápido efetuar estes cálculos
e analisar os seus resultados, utilizando softwares matemáticos como o MINItab,
Matlab, Silab, entre outros.
57
Capítulo 2 – Proposição
A exigência da qualidade de um produto dentro do mercado comercial é muito
grande. Atualmente com sistemas de qualidade cada vez mais abrangentes, exigem que
o produto fabricado tenha controles de qualidade mais rigorosos nos processos de
manufatura, garantindo a segurança, confiabilidade e satisfação do cliente final, neste
caso, o consumidor.
Quando se trata em fabricar um veículo automotor, essas normas e exigências
são ainda maiores. Imagine o cliente, comprando um carro “zero”, saindo da
concessionária e na primeira esquina o parafuso da suspensão cair e um acidente
acorrer, pode-se imaginar as conseqüências...
Portanto, quando o assunto é junção de componentes, a complexidade é grande,
pois devido a vasta gama de materiais disponíveis no mercado, faz com que o processo
de fabricação seja bem estruturado para absorver todas as variações iminentes nos
materiais.
Na técnica de junção de materiais por parafusamento o operador através de um
equipamento, seja ele uma chave manual, um torquímetro ou uma parafusadeira, efetua
a união de dois ou mais materiais utilizando elementos normalizados, como parafusos e
porcas.
Alguns fatores devem ser levados em consideração quando a técnica de
parafusamento é utilizada, fatores como:
1. Mão-de-obra: erro do operador, uso impróprio da ferramenta, montagem
errada, erro de projeto.
2. Método: especificação de aperto incorreta, erro no procedimento de
montagem, equipamento inadequado.
3. Máquina: falha mecânica, inexatidão, equipamento inadequado.
4. Material: material incorreto, fora de especificação, defeito no material,
lubrificação insuficiente, resistência insuficiente do parafuso, falha de
processo do parafuso.
58
Essas falhas geram na junção dos componentes defeitos como: falha na junta,
perda do elemento (parafuso, porca), alinhamento incorreto, vazamento, ruído, desgaste
e funcionamento defeituoso.
Dada a complexidade em definir o melhor sistema de aperto para uma condição
desejada, considerando os fatores (custo / benefício) x (qualidade / segurança), o
engenheiro necessita realizar vários testes e cálculos o que demanda tempo e dedicação.
Realizar cálculos e testes laboratoriais faz parte da atribuição do engenheiro,
porém nem todos possuem agilidade e experiência para resolver estes problemas
rapidamente o que torna lento o projeto e definição de um processo de montagem.
Considerando a grande competitividade no mercado os fatores tempo e custo,
passam a ser grandes “inibidores”, pois uma decisão errada pode levar um plano ou
negócio à falhar e, conseqüentemente causar sérios prejuízos a empresa, inviabilizando
a fabricação do produto.
Atualmente existe uma grande rotatividade de mão-de-obra especializada dentro
da indústria e na maioria dos casos, engenheiros mais experientes mudam de função ou
empresa e levam consigo a experiência adquirida. Muitas empresas hoje são deficientes
em seus controles por não se adequarem as normas ISO 9000 e acabam passando
dificuldades por perderem seus funcionários e não terem históricos arquivados sobre os
trabalhos e experiências passadas e isto gera um alto custo na tentativa de recuperar
esses dados.
Baseado na dificuldade para definir o melhor sistema no processo de montagem
através de parafusamento e, considerando os fatores tempo, custo, benefício e
confiabilidade, é que se inicia o propósito deste trabalho, que consiste em: realizar
pesquisas nos processos de manufatura dentro da indústria automobilística e utilizar o
conhecimento dos engenheiros que atuam nesses processos para coleta de dados com
base nas operações existentes, realizar pesquisas laboratoriais para avaliar o
comportamento dos equipamentos para uma condição de junta pré-estabelecida,
pesquisar em normas e documentos técnicos os parâmetros recomendados para
operações com parafusamento e com o auxílio da inteligência artificial desenvolver um
sistema inteligente baseado em conhecimento formando um banco de dados
automatizado onde o usuário, no caso, o engenheiro ou projetista de um sistema de
aperto possa consultar e tomar decisões rápidas com base em dados reais e confiáveis.
59
Capítulo 3 – Material e Método
Com o objetivo de estruturar a coleta de dados para análise dos resultados, foi
definido os materiais, equipamentos e método para realização dos experimentos,
conforme mostrado nos itens abaixo:
3.1 – Lista de Material.
A coleta de dados foi realizada através da utilização dos materiais descritos na
tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Lista de Materiais
Equipamento Característica
Parafusadeira Eletrônica com painel de controle. Faixa de 0 a 20 Nm
Parafusadeira Pneumática Faixa de torque de 0 a 20 Nm
Parafusadeira Elétrica Faixa de torque de 0 a 4,5 Nm
Torquímetro Analógico Valor máximo de leitura = 30 Nm
Resolução = 0,5 Nm
Parafusos cabeça sextavada com flange M6 x 1.0 x 19 mm, Classe 8.8.
Parafusos cabeça cilíndrica com entalhado interno M4 x 1.0 x 10 mm, Classe 8.8
Base de alumínio 143 x 87 x 25 mm
“Socket” apex MB-8mm
“Bits” apex 49-B TX-15W
Transdutor de torque Modelo: 038237-00201
Range: 2,26 a 22,6 Nm
Coletor de dados Modelo: GSE 020290
Bancada de testes Morsa e armário de ferramentas, medindo 1200 x
900 x 700 mm.
Software matemático MINITAB release 13.30.
Planilha para registro dos dados Projetada em Microsoft EXCEL.
Ferramenta computacional Expert SINTA, versão 1.1.2.8, 1998.
Notebook Pentium III com 64 Mb de memória RAM.
Alimentação elétrica 110 / 220 Volts
Alimentação pneumática Pressão: 06 Bar.
60
3.2. Método
O método utilizado para realização do trabalho foi dividido em três etapas,
sendo: a primeira etapa, a avaliação do comportamento do equipamento para uma
condição de aperto definida; segunda etapa, pesquisas nos processos de manufatura e
literatura para coleta de dados; terceira etapa, programação do sistema "SEVAT" a
partir os dados coletados.
3.2.1. Avaliação do comportamento do equipamento.
Utilizando os equipamentos parafusadeiras eletrônica, elétrica e pneumática com
um transdutor de torque acoplado ao equipamento, efetuou-se medições com o auxílio
de um coletor de dados acoplado ao transdutor de torque e realizando o parafusamento
dos parafusos no bloco de alumínio fixado sobre a bancada de teste, os dados foram
coletados, anotando-se os valores de torque lido. A Figura 3.1, mostra um diagrama de
blocos em malha fechada para o processo com parafusadeira eletrônica e um diagrama
de blocos em malha aberta para o processo com parafusadeira pneumática/ elétrica.
A coleta dos valores de torque do equipamento torquímetro analógico foi
realizada em laboratório utilizando o mesmo material, porém a medição do valor é feita
manualmente através da leitura no visor do equipamento.
A Figura 3.2 apresenta as fotos dos testes laboratorias onde os valores de torque
correspondente a cada equipamento foram coletados para avaliação do resultado.
Controlador
Σ
Processo
+
-
Torque alvo
Torque final
realimentação
E
Parafusadeira eletrônica
E = Torque alvo – Torque final
Controlador
Processo
Torque alvo Torque final
Parafusadeira pneumática/ elétrica
Figura 3.1 – Malha aberta e fechada.
61
Figura 3.2 – Fotos dos testes laboratoriais para coleta dos valores de torque.
3.2.2. Pesquisas nos processos de manufatura.
A coleta de dados nos processos de manufatura foi realizado através de
entrevistas com os engenheiros responsáveis de cada processo e também com visitas nas
células de montagem. Com o auxílio da equipe de manutenção foi possível consultar
manuais de equipamentos, bem como os registros de qualidade dos produtos, registros
esses que constam os parâmetros de aperto para cada tipo de condição de junta
especificada.
Com uma planilha projetada utilizando-se o microsoft excel – Tabela 3.2, os
parâmetros foram ordenados de forma a auxiliar as pesquisas nos processos de
manufatura e também nas literaturas existentes dentro da indústria. Os dados coletados
foram : Especificação do parafuso, classe do parafuso, tipo de junta, tipo de material,
lubrificação, tipo de controle, equipamentos e parâmetros de aperto.
Parafusadeira Eletrônica Parafusadeira Elétrica Parafusadeira PneumáticaParafusadeira Eletrônica Parafusadeira Elétrica Parafusadeira Pneumática
62
Tabela 3.2 – Coleta de dados nos processos de manufatura.
3.2.3. Programação do Sistema Especialista – SEVAT.
Através de uma ferramenta computacional, “Shell”, com ambiente de
programação em, “Delphi”, o sistema especialista denominado de “SEVAT” (Sistema
Especialista para Valores de Torque), foi estruturado utilizando os dados de valores de
torque coletados nos processos de manufatura e nas literaturas existentes dentro da
indústria, considerando também os testes realizados em laborátorio para especificação
do tipo de equipamento adequado para cada condição de junta desejada. A arquitetura
do sistema foi baseado na Figura 1.5 – Arquitetura do Sistema Baseado em
Conhecimento.
O projeto do sistema seguiu uma seqüência lógica de programação, esta
seqüência é descrita em detalhes, a seguir:
a) Informações gerais sobre a base de dados.
Nessa tela inicial é feito o cadastro do nome do sistema, o nome do autor e as
informações sobre a base de dados. Através das informações contidas nessa tela, o
usuário do sistema analisa e decide se prossegue ou não na base de dados. A Figura 3.3,
mostra a tela de cadastro das informações do sistema inteligente.
Ope ra çõe s
Especificaçã o do
Pa rafuso
Classe do
para fuso Lubrificaçã o Tipo de Junta Ma te rial Tipo de Controle Equipam e nto Pa râmetros
Fixação Dis k Hub
M 6 x 1.0 x 19
sex tavado c/ flange
10.9 não rígida Aç o / Aço Torque Par. E letrônica Tmín.=11 Nm ; Tm áx .= 14 Nm
Fix aç ão B loc k M anifold
M8 x 1,25 x 35
sex tavado c flange
10.9 não rígida A lum ínio/Plástico Torque P ar. P neum ática Tmín.= 17,5 Nm ; Tm áx .= 23 Nm
AFCA - AB V
M 6 x 1.0 x 20
sex tavado c/ flange
8.8 não rígida Alum ínio/Latão Torque/ângulo Par. E letrônica Tmín.=8,3 Nm ; Tmáx .= 11, 3 Nm ; 720º
AF CA - Tm ap High low 6m m NA não rígida Plás tic o/P lástico Torque Par. E letrônica Tm ín.= 2.4 Nm ; Tm áx .= 3.4 Nm
AF CA - T.B ody High low 6m m NA não rígida Alumínio/Plástico Torque/ângulo Par. E letrônica Tmín.= 5.3 Nm ; Tm áx .= 6.3 Nm ; 720º
AF CA - Fuel Rail
M 6 x 1.0 x 20
sex tavado c/ flange
8.8 não rígida Aç o/Latão Torque Par. E let rônic a Tm ín.= 8,3 Nm ; Tmáx .= 11,3 Nm
SCM - Duto A lum ínio
M8 x 1,25 x 30
sex tavado c flange
8.8 não rígida Alum ínio/ Alum ínio Torque Par. E letrônic a Tmín.= 17 Nm ; Tm áx .= 23 Nm
SCM - Brac ket
M8 x 1,25 x 40
sex tavado c flange
8.8 não rígida Alum ínio/ Alum ínio Torque Par. E letrônic a Tmín.= 17 Nm ; Tm áx .= 23 Nm
SCM - Duto Plás tico
M 6 x 1.0 x 25
sex tavado c/ flange
8.8 não rígida Alum ínio/Aç o Torque Par. E letrônica Tmín.=11 Nm ; Tm áx .= 13 Nm
Fix aç ão do Cover -
B.c um bus tível
Tribolar 2 não rígida Aç o / A ço Torque Par. E letrônic a Tmín.= 3 Nm ; Tmáx .= 6 Nm
Fix aç ão do c hic ote -
com press or
M 5 x 0.8 x 10
sextavado
8.8 não rígida Alum ínio/Aç o Torque P ar. E létrica Tmín.= 1,5 Nm ; Tmáx .= 3,9 Nm
Fixação da B orboleta -
T.Body
M 4 x 0.8 x 11 Torx NA não rígida Aç o/A ço Torque Par. E letrônica Tm ín.= 1,3 Nm ; Tmáx.= 2,1 Nm
Fixação do B rack et do
T. B ody
M 6 x 1.0 x 10
cabeç a redonda
Torx
NA não rígida Alum ínio/Aç o Torque/ângulo Par. E letrônic a Tm ín.= 8,3 Nm ; Tm áx.= 10,3 Nm ; 720º
High low 6m m NA não rígida Plástic o/Plástico Torque P ar. E létrica Tmín.= 3,5 Nm ; Tm áx .= 4,5 Nm
63
Figura 3.3 – Informações sobre a base de dados
b) Cadastro das variáveis e valores.
Nessa tela são inseridas as variáveis do sistema e os valores específicos para
cada variável. Uma variável pode ser definida utilizando as seguintes condições:
Variáveis univaloradas: podem ter apenas uma instanciação. A máquina de
inferência irá procurar a resposta até encontrar um valor ou até esgotar todas as
possibilidades da base de conhecimento.
Variáveis multivaloradas: podem ter múltiplas instanciações. A busca dos
valores para este tipo de variável prossegue até que toda a base de conhecimento seja
explorada. Os valores permanecem acumulados.
Variáveis numéricas: são tratadas como univaloradas sempre.
Na Figura 3.4 é mostrado a tela de cadastro das variáveis e valores do sistema
inteligente.
64
Figura 3.4 – Cadastro das variáveis e valores
As variáveis cadastradas referente ao sistema especialistas, ”SEVAT”, foram:
• Classe do Parafuso;
• Criticidade da Junta;
• Lubrificação;
• Sistema de Aperto Ideal.
Todas essas variáveis foram classificadas como univaloradas.
65
c) Definição da variável objetivo.
Com as variáveis cadastradas na base de dados é definida a variável objetivo.
Essa variável será apresentada como resultado da consulta feita pelo usuário e
nesta estarão contidos os dados relativos aos valores escolhidos pelo usuário no
momento da consulta. Esses dados servirão de base para tomada de decisão. Na Figura
3.5 é apresentada a tela de definição da variável objetivo e onde também é estabelecido
essa variável como representação do resultado.
Figura 3.5 – Definição da variável objetivo.
66
d) Criação da interface com o usuário.
Nessa fase é definido a pergunta para cada variável cadastrada na base de dados,
menos para a variável objetivo. O principal motivo dessas perguntas é facilitar ao
usuário o entendimento e a navegação no sistema especialista, “SEVAT”, tornando a
consulta rápida e fácil. Na Figura 3.6 é mostrada a tela de cadastro das perguntas, e
também para auxiliar o usuário do sistema é possível descrever explicações sobre a
pergunta elaborada no espaço “Motivo/Ajuda”.
Figura 3.6 – Definição das perguntas de interface com usuário.
67
e) Criação das regras de produção.
As regras de produção nesse sistema especialista são usadas para modelar o
conhecimento humano, o que torna ideal para problemas de seleção, onde o usuário
seleciona os dados através das perguntas realizadas pelo sistema. A Figura 3.7 apresenta
a tela onde é definido o número da regra que indica o posicionamento dessa regra na
base de dados do sistema. É possível utilizar uma regra já existente como base para
criação de outra regra, desde que os dados contidos nessa regra sejam semelhantes a
outra.
Figura 3.7 – Cadastro de nova regra de produção.
Com a definição do número da nova regra de produção é necessário efetuar a
edição dessa nova regra utilizando as variáveis cadastradas na base de dados e através
das condições SE.....ENTÃO....., é feito a inclusão de conectivos lógicos (NÃO, E, OU)
relacionando os atributos (VARIÁVEIS) com o uso de probabilidades “CNF”, como
mostrado na Figura 3.8.
68
Figura 3.8 – Edição de uma regra de produção.
Na Figura 3.9 é mostrado uma regra de produção editada e cadastrada na base de
dados do sistema utilizando as variáveis, as condições, os operadores relacionais, os
conectivos lógicos e os valores.
Figura 3.9 – Regra de produção editada e cadastrada na base de dados.
69
Capítulo 4 - Resultados e Discussão
Com a realização dos experimentos foi possível ordenar os dados e analisar os
mesmos, auxiliando assim na programação do sistema especialista. Os resultados das
análises e a consulta no sistema especialista são mostrados nos itens abaixo.
4.1 - Análise estatística do comportamento do equipamento para uma junta
pré-estabelecida.
Através da planilha projetada em "Microsoft Excel" como mostrado na Figura
4.1, os dados de valores de torque foram coletados e registrados para realizar a análise
estatística do comportamento dos equipamentos parafusadeira eletrônica, elétrica,
pneumática e torquímetro analógico.
Figura 4.1 – Planilha para coleta de dados, torque (Nm)
Equipamento: Data:
Material utilizado: Bloco de alumínio
Lado 01 - Torque de 10,0 a 15,0 Nm Lado 02 - Torque de 1,57 a 3.92 Nm
MEDIÇÕES - Lado 01
MEDIÇÕES - Lado 02
Parafuso
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
ESTUDO DE CPK
TESTES DE LABORATÓRIO - M. SHIMIZU
Torque TorqueParafuso
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
Torque Parafuso Torque
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
Parafuso
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
23
24
25
19
20
21
22
1
12 13
2 3 4 5
6 7 8 9 10
11 14 15
16
27 28
17 18 19 20
21 22 23 24 25
26 29 30
31
42 43
32 33 34 35
36 37 38 39 40
41 44 45
1
12 13
2 3 4 5
6 7 8 9 10
11 14 15
16
27 28
17 18 19 20
21 22 23 24 25
26 29 30
31 32 33 34 35
36 37 38 39 40
70
Utilizando o “software” matemático MINITAB, os dados "valores de torque"
foram armazenados na planilha do programa e através da função "capability analysis
normal" os gráficos são gerados automaticamente para cada equipamento como
mostrado nas Figuras 4.2, 4.3, 4.4 e 4.5, respectivamente.
Figura 4.2 – Comportamento do equipamento parafusadeira eletrônica.
Analisando o gráfico na Figura 4.2 é possível identificar que a dispersão e o
resultado do estudo de capacidade do processo Cp = 9,01 e Cpk = 8,05 é excelente
comparando com Cp = 1,33 e Cpk = 1,67 que é o recomendado pela norma ISO
TS16949 para processos de manufatura. Esses valores representam que o processo é
capaz de produzir peças dentro da especificação de engenharia "10,0 Nm a 15,0 Nm" e
o equipamento apresenta uma ótima repetibilidade de medição, tornando o processo
centralizado em relação a especificação de engenharia.
O equipamento parafusadeira eletrônica controla e monitora os parâmetros de
aperto através de um painel eletrônico e um transdutor de torque acoplado ao
equipamento durante o processo de união dos componentes, esse tipo de equipamento é
indicado para processos de manufatura onde o produto manufaturado rege normas
governamentais e segurança do usuário, no caso do veículo automotor a parafusadeira
eletrônica é usada para montagem dos parafusos da suspensão e chassi, para fixação de
componentes do motor e itens de segurança.
151413121110
USLLSL
Análise de Capabilidade para Parafusadeira Eletrônica.
PPM Total
PPM > USL
PPM < LSL
PPM Total
PPM > USL
PPM < LSL
PPM Total
PPM > USL
PPM < LSL
Ppk
PPL
PPU
Pp
Cpm
Cpk
CPL
CPU
Cp
StDev (Overall)
StDev (Within)
Sample N
Mean
LSL
Target
USL
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
9,07
11,22
9,07
10,14
*
8,05
9,96
8,05
9,01
0,0821593
0,0925030
100
12,7649
10,0000
*
15,0000
Exp. "Overall" PerformanceExp. "Within" PerformanceObserved PerformanceOverall Capability
Potential (Within) Capability
Process Data
Within
Overall
71
Figura 4.3 – Comportamento do equipamento parafusadeira elétrica.
A parafusadeira elétrica apresenta uma boa dispersão como mostrado na Figura
4.3, com resultados bem precisos além de ter um nível de ruído baixo, porém é limitada
na utilização devido o torque máximo de aplicação ser 4.5 Nm. O resultado do estudo
de capacidade do processo Cp = 11,21 e Cpk = 10,72 é excelente comparando com Cp =
1,33 e Cpk = 1,67 que é o recomendado pela norma ISO TS16949 para processos de
manufatura. Esses valores representam que o processo é capaz de produzir peças dentro
da especificação de engenharia "1,57 Nm a 3,92 Nm" e o equipamento apresenta uma
ótima repetibilidade de medição, tornando o processo centralizado em relação a
especificação de engenharia.
Esse tipo de equipamento é indicado para uso nos processos de manufatura de
produtos que especificam a confiabilidade de funcionamento e satisfação do cliente
final. Na fabricação do veículo é bastante utilizada nos processos de montagem dos
componentes de acabamento, como painel de instrumentos, acabamentos internos,
fixação de chicotes, etc...
4,03,53,02,52,01,5
USLLSL
Análise de Capabilidade para Parafusadeira Elétrica.
PPM Total
PPM > USL
PPM < LSL
PPM Total
PPM > USL
PPM < LSL
PPM Total
PPM > USL
PPM < LSL
Ppk
PPL
PPU
Pp
Cpm
Cpk
CPL
CPU
Cp
StDev (Overall)
StDev (Within)
Sample N
Mean
LSL
Target
USL
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
7,22
7,22
7,88
7,55
*
10,72
10,72
11,71
11,21
0,0518781
0,0349237
100
2,693
1,570
*
3,920
Exp. "Overall" PerformanceExp. "Within" PerformanceObserved PerformanceOverall Capability
Potential (Within) Capability
Process Data
Within
Overall
72
Figura 4.4 – Comportamento do equipamento parafusadeira pneumática.
Analisando os dados estatísticos apresentados no gráfico da Figura 4.4, é
evidente a dispersão do processo quando o equipamento parafusadeira pneumática é
utilizado para união de componentes, o Cp = 2,22 e Cpk = 1,69 estão bem próximos do
recomendado pela norma ISO TS16949 que é Cp = 1,33 e Cpk = 1,67, porém o
processo é capaz de produzir peças dentro da especificação de engenharia. A
repetibilidade do equipamento possui uma grande variação que pode ser vista no
histograma, esta dispersão mostra uma descentralização do processo, para este caso é
recomendado a calibração e ajuste do equipamento para centralização da média com o
valor nominal.
O equipamento parafusadeira pneumática possui somente o controle do torque e
o monitoramento geralmente é feito por amostragem utilizando o torquímetro analógico
ou digital, este monitoramento é feito para verificar a repetibilidade do equipamento
durante o processo de manufatura. Na utilização desse tipo de equipamento, fatores
como o modo de operar, a variação de pressão na rede de ar comprimido e até mesmo a
lubrificação do equipamento interferem no valor de torque final. A aplicação é
recomendada em produtos que não especificam alto grau de confiabilidade, geralmente
em processos de montagem na indústria eletrônica. Outro ponto importante a ser
10 11 12 13 14 15
LSL USL
Análise da Capabilidade para Parafusadeira Pneumática
USL
Target
LSL
Mean
Sample N
StDev (Within)
StDev (Overall)
Cp
CPU
CPL
Cpk
Cpm
Pp
PPU
PPL
Ppk
PPM < LSL
PPM > USL
PPM Total
PPM < LSL
PPM > USL
PPM Total
PPM < LSL
PPM > USL
PPM Total
15,0000
*
10,0000
13,0975
120
0,375469
0,387452
2,22
1,69
2,75
1,69
*
2,15
1,64
2,66
1,64
0,00
0,00
0,00
0,00
0,20
0,20
0,00
0,45
0,45
Process Data
Potential (Within) Capability
Overall Capability Observed Performance Exp. "Within" Performance Exp. "Overall" Performance
Within
Overall
73
considerado é com relação ao ruído, quando a decisão for utilizar um equipamento
pneumático deve-se atentar ao tipo de aplicação e a quantidade de equipamentos
necessários para o processo de montagem, para que o ruído máximo não ultrapasse ao
especificado na norma NR 15 – atividade e operações insalubres – anexo 1, que é 85dba
em 8 horas de trabalho contínuo.
Figura 4.5 – Comportamento do equipamento torquímetro analógico.
O torquímetro analógico é o que apresenta a maior variação como mostrado na
Figura 4.5, neste caso os fatores que mais influênciam é o modo de operar e o momento
de efetuar a leitura na escala do equipamento, gerando dúvidas e induzindo ao erro, este
tipo de equipamento é mais utilizado para checar o valor de torque aplicado por
equipamentos como a parafusadeira pneumática e também para uso em laboratórios de
medição e controle. Os dados estatísticos indicam que o torquímetro analógico não é o
equipamento mais recomendado para um processo de manufatura, além de apresentar
uma dispersão grande existe também o fator tempo de operação. O estudo de capacidade
do processo mostra como resultado essa dispersão onde os valores de Cp = 1,01 e Cpk =
0,90 estão abaixo do recomendado pela norma ISO TS16949 que é Cp = 1,33 e Cpk =
1,67.
9 10 11 12 13 14 15 16 17
LSL USL
Análise de Capabilidade para Torquímetro Analógico.
USL
Target
LSL
Mean
Sample N
StDev (Within)
StDev (Overall)
Cp
CPU
CPL
Cpk
Cpm
Pp
PPU
PPL
Ppk
PPM < LSL
PPM > USL
PPM Total
PPM < LSL
PPM > USL
PPM Total
PPM < LSL
PPM > USL
PPM Total
15,00
*
10,00
12,77
100
0,82832
1,20367
1,01
0,90
1,11
0,90
*
0,69
0,62
0,77
0,62
0,00
0,00
0,00
412,71
3549,11
3961,83
10687,30
31964,68
42651,99
Process Data
Potential (Within) Capability
Overall Capability Observed Performance Exp. "Within" Performance Exp. "Overall" Performance
Within
Overall
74
O gráfico na Figura 4.6 mostra o tempo de operação dos equipamentos avaliados
quando utilizados nos processos de manufatura.
Figura 4.6 – Tempo de operação no processo de montagem.
Os dados do gráfico na Figura 4.6 são importantes no momento da definição do
equipamento ideal para a condição de processo desejada.
Atualmente os custos de um equipamento para controle de torque variam de
R$ 500,00 para um torquímetro a R$ 60.000,00 para uma parafusadeira eletrônica
(M.Shimizu).
Portanto, a análise do projeto e definição de um sistema deve ser feita levando
em consideração os fatores qualidade, custos, segurança, confiabilidade e benefício,
além de pontos operacionais como ergonomia e segurança do operador.
Tempo de Operação
0
10
20
30
40
1
ª
.
2ª.
3ª
.
4
ª
.
5ª.
6ª
.
7
ª
.
8ª.
9ª
.
1
0
ª.
medições
segundos
Eletrônica Elétrica Pneumática Torquímetro
75
4.2 - Tempo para cálculo e definição dos parâmetros de torque pelo
engenheiro versus consulta automática no banco de dados “SEVAT”.
O objetivo dessa pesquisa é anotar o tempo dedicado do engenheiro para
calcular e especificar um sistema de aperto para uma condição de junta conhecida. Para
realizar esse experimento foram selecionados três engenheiros no qual realizaram os
cálculos e após, para o mesmo objetivo consultaram o sistema “SEVAT”.
O enunciado do exercício considera que é uma junta rígida classe tipo B e com
material em aço carbono e o parafuso utilizado para fixar essa junta é M8 com classe
8.8, sem lubrificação. O volume de produção esperado é de 60 peças/hora. O objetivo é
calcular o valor de torque ideal para esta fixação, bem como definir o melhor
equipamento para o processo de montagem, considerando o fator custo x benefício.
O resposta esperada do problema acima, é mostrado nos cálculos abaixo,
utilizando a equação 4.1 - força de união (Atlas Copco, 2003).
KDmGdP
M
Fu
µµ
5,0258,016,0 ++
= (4.1)
Onde:
Fu = Força de união
M = Torque Aplicado
P = Passo da rosca
µG = Coeficiente de atrito da rosca
µK = Coeficiente de atrito da cabeça do parafuso
d2 = Diâmetro primitivo
Dm = Diâmetro médio da cabeça do parafuso
Considerando,
Fu = 14000 N
M = ?
P = 1,25 mm = 0,00125 m (para parafuso M8 – classe 8.8)
76
µG = 0,15
µK = 0,15
d2 = 7,188 mm = 0,007188 m (para parafuso M8 – classe 8.8)
Dm = 13 mm = 0,013 m (para parafuso M8 – classe 8.8)
Então,
M = 14000 (0,16 x 0,00125 + 0,58 x 0,15 x 0,007188 + 0,5 x 0,15 x 0,013)
M = 25,2 Nm
Definido o torque ideal para fixação da junta rígida, é necessário definir qual o
melhor equipamento para esta aplicação.
Nesta fase, é necessário que o engenheiro tenha bem definido quais as
especificações do produto e as informações de volume de produção, custos de materiais,
mão-de-obra disponível e a verba destinada para investimento no processo.
Como descrito no enunciado o volume de produção é de 60 peças / hora e para
uma junta rígida com classe B que rege confiabilidade do produto e satisfação do
cliente, pode–se optar para uma parafusadeira pneumática com monitoramento de
torque através de torquímetro, isto é possível pelo fato do volume de produção ser
considerado baixo do ponto de vista industrial, porém para uma confiabilidade maior e
tendo verba disponível para o processo, recomenda-se a utilização de uma parafusadeira
eletrônica que controla e monitora os parâmetros de aperto no momento de fixação da
junta. A Tabela 4.1 mostra o resultado do experimento.
Tabela 4.1 – Resultado do experimento cálculo versus consulta.
Cálculos
Consulta
Carlos 95 min. 1 min.
Torque = 36 Nm / parafusadeira eletrônica ou
pneumática
Torque = 24 Nm / parafusadeira eletrônica
100%, parafusadeira pneumática 70%.
Fernando 100 min. 1 min.
Torque = 30 Nm / parafusadeira eletrônica ou
pneumática
Torque = 24 Nm / parafusadeira eletrônica
100%, parafusadeira pneumática 70%.
Jorge 120 min. 1 min.
Torque = 27 Nm / parafusadeira pneumática
com torquímetro
Torque = 24 Nm / parafusadeira eletrônica
100%, parafusadeira pneumática 70%.
Tempos
Resposta da ConsultaResposta do CálculoEngenheiros
77
4.3 – Validação do Sistema Especialista “SEVAT”.
O sistema inteligente projetado a partir da utilização de uma ferramenta
computacional, mostrou como resultado principal a facilidade de programação e
ordenação dos dados, o banco de dados formado é bastante rico, considerando que as
informações contidas na base de dados são adquiridas a partir de dados reais coletados
dos processos de manufatura e através de experiências realizadas com os equipamentos.
A avaliação do resultado consultando o sistema “SEVAT” é descrito conforme
os passos abaixo:
a) Acessando o sistema.
Para acessar o sistema basta “clicar” duas vezes no ícone do Expert SINTA e o
“menu” principal aparecerá na tela do computador. Através da pasta arquivo, escolher a
base de dados desejada e acionar a tecla “F9”, neste momento aparecerá as informações
sobre a base de dados, e caso não seja a base desejada, fechar a janela e escolher nova
base para consulta. Estando na base correta “clicar” em OK e continuar a consulta. A
Figura 4.7 mostra a tela inicial do sistema.
Figura 4.7 – Tela inicial do sistema “SEVAT”.
78
b) Escolha da primeira opção.
Nessa tela o usuário define qual o tipo de criticidade de junta o seu produto
especifica. A escolha deve ser feita clicando em uma das opções e após “clicar” em Ok
para continuar a consulta. A Figura 4.8 mostra a tela de escolha da criticidade de junta.
Figura 4.8 – Tela de escolha da criticidade de junta.
79
c) Escolha do tipo de parafuso.
Nessa tela o usuário especifica o tipo de parafuso que deseja utilizar na fixação
da junta. Clicando na opção de parafuso desejada “clicar” em OK e continuar a
consulta. A Figura 4.9 mostra a tela de escolha do parafuso.
Figura 4.9 – Tela de especificação do parafuso.
80
d) Definição da classe do parafuso.
Nessa tela o usuário define qual a classe do parafuso conforme especificação de
engenharia do produto. Clicando em uma das opções de classe do parafuso “clicar”em
OK e prosseguir a consulta. A Figura 4.10 mostra a tela de definição da classe do
parafuso.
Figura 4.10 – Tela de definição da classe do parafuso.
81
e) Definição da lubrificação do parafuso.
Nessa tela o usuário define se o parafuso será lubrificado ou não na fixação da
junta, essa definição depende da condição de trabalho em que a junta será submetida,
portanto é importante entender o funcionamento do produto e qual a sua importância no
sistema com um todo. A Figura 4.11 mostra a tela de definição da lubrificação do
parafuso.
Figura 4.11 – Tela de definição da lubrificação do parafuso.
82
f) Resultado da consulta.
Após ter definido todos os dados desejados o sistema inteligente apresenta o
resultado da consulta para a condição de fixação escolhida. Nessa tela também é
possível analisar o histórico da pesquisa, todos os valores de resultado encontrados e a
estrutura do sistema especialista. A Figura 4.12 mostra esses dados para análise do
usuário.
Figura 4.12 – Tela de apresentação dos resultados.
Com a apresentação do resultado, a consulta ao sistema especialista é concluída
e o usuário pode iniciar novas consultas no “menu principal” seguindo os passos de um
a seis.
83
Capítulo 5 – Conclusão
Os resultados estatísticos apresentados para cada equipamento avaliado, indicam
que a utilização de equipamentos como parafusadeira eletrônica e elétrica são muito
confiáveis e garantem a qualidade e segurança na fixação de componentes de um
produto. Essa qualidade e segurança é comprovada pelos valores de Cp (Capacidade do
processo) e Cpk (Capabilidade do processo), pois aplicando-se o torque adequado
conforme a especificação de engenharia obtem-se a força de união desejada.
O equipamento eletrônico apresenta recursos para controlar e monitorar os
parâmetros de aperto, como: rotação (rpm), torque mínimo, torque máximo e ângulo.
Esses recursos permitem que a leitura do valor de torque através de um transdutor no
momento do aperto de uma junta ocorra automaticamente em tempo real, ou seja, leitura
dinâmica do torque.
A parafusadeira elétrica possui uma única rotação e o torque adequado é
ajustado através da calibração do equipamento utilizando-se um coletor de dados e um
transdutor de torque acoplado a parafusadeira. A parafusadeira eletrônica ou elétrica
permitem a implementação de dispositivos à prova de erros utilizando um "CLP"
(controlador lógico programável). Esse tipo de dispositivo garante que o produto só
avançará no processo após o torque adequado ser atingido, caso contrário, o "CLP" não
habilita o equipamento para um próximo aperto.
No caso da parafusadeira pneumática o procedimento de ajuste e calibração é o
mesmo que o da parafusadeira elétrica, porém necessitam de cuidados especiais como:
controle da pressão do ar comprimido, controle da lubrificação e checagem do torque
aplicado através de um torquímetro analógico ou digital. A análise estatística indica
uma variabilidade siginificativa na leitura dos valores de torque desse equipamento, que
pode interferir no controle de processo. Neste caso, uma calibração é requerida para
ajustar o equipamento adequando os valores de torque para a média do processo, desta
forma, é possível melhorar sensivelmente o resultado.
A análise estatística do torquímetro analógico comprova que a utilização desse
tipo de equipamento no processo de manufatura, não é o adequado, pois além de
apresentar uma grande variabilidade também depende totalmente da habilidade do
operador, além de demandar um tempo razoável de manuseio e operação.
84
O tempo de operação medido em cada equipamento comprova que o controle
automático dos parâmetros de aperto aumentam a produtividade entre 37% e 77%,
comparando a um processo de montagem manual com torquímetro analógico.
O sistema inteligente desenvolvido auxilia o engenheiro a especificar o sistema
de aperto ideal para cada condição de junta desejada. A base de dados contém as
informações e os parâmetros necessários para cada tipo de aplicação, considerando o
equipamento ideal para utilização e os parâmetros corretos para controle do aperto,
obtendo-se assim os melhores resultados. A base de dados é muito eficaz, pois através
da entrada de dados conhecidos, o sistema efetua a consulta usando um motor de
inferência, e apresenta o resultado rapidamente, dando assim ao engenheiro uma
confiabilidade e agilidade para a tomada de decisão.
A utilização do sistema inteligente como ferramenta de consulta e tomada de
decisão, reduz o tempo de cálculo e testes em aproximadamente 98%. O usuário quanto
mais utilizar o sistema mais habilidade adquirá, obtendo os resultados mais
rapidamente.
O banco de dados formado é um histórico que pode ser alimentado a cada nova
condição, o que o torna cada vez mais robusto. A inclusão de novos dados é rápida e
quanto mais informações forem armazenadas, mais usuários serão benefíciados, e com o
tempo ganho para se tomar uma decisão é possível dedicar-se para outras atividades,
gerando redução de custos e investimentos desnecessários.
85
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WNN1330.00973, Copyrigth © 2000.
Livros Grátis
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