45964492 Apostila de Fundamentos de Robotica Parte1

CENTRO FEDERAL DE EDUCAO TECNOLGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA

DIRETORIA DE DESENVOLVIMENTO EDUCACIONAL DEPARTAMENTO DE ENSINO MDIO COORDENADORIA DE MECNICA

ROBTICA APLICADA A SISTEMAS PRODUTIVOS DE FABRICAO

Autor/Organizador Ezio Zerbone Srgio Bastos

MATERIAL DE APOIO AO ALUNO NA DISCIPLINA DE FUNDAMENTOS DE ROBTICA

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL Maio/2005

CEFET/RJ CURSO TCNICO DE MECNICA - FUNDAMENTOS DE ROBTICA -

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INTRODUO Quando analisamos as estatsticas apresentadas por vrios pases, vemos uma grande diferena entre elas, pois as definies de rob variam, sendo que existem autores que consideram qualquer manipulador como rob, enquanto outros reservam essa categoria apenas aos manipuladores programveis com capacidade de deciso lgica, ou seja, capazes de executar determinadas seqncias de movimento apenas se determinada condio prprogramada se verificar. Estas condies so garantidas atravs de inputs e outputs. O rob o mais polmico dos equipamentos auxiliares na produo industrial, em razo do misticismo infundado onde se coloca toda a culpa como uma mquina causadora de problemas trabalhistas e sociais. A implantao da robtica em ambientes industriais, deve ser encarada como uma forma de substituir o homem em ambientes insalubres, perigosos e trabalhos penosos. Com objetivo de despertar no aluno o interesse pela aplicao da robtica em ambientes produtivos, j que percebemos um crescimento cada vez mais acentuado desta tecnologia nos processos produtivos ou em plantas industriais este material de apoio esta dividido em duas partes: na primeira parte temos um contedo terico bsico, estado da arte da robtica no na segunda parte temos a classificao dos tipos de rob e algumas tarefas Brasil e alguns estudos de casos; envolvendo o rob Mitsubishi RV-M1. No temos a pretenso de esgotar um assunto to fascinante e promissor, porm o aluno que se forma como um tcnico de mecnica deve entender que a robtica tem sido ultimamente bastante atrativa em determinados ambientes e as vezes at obrigatria como o caso de trabalhos submersos de grandes profundidade onde existe por lei uma limitao do uso do homem.


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PARTE I - FUNDAMENTAO TERICA I.1 - Consideraes sobre a Evoluo dos Processos de ProduoA viso sobre o uso da Automao da Manufatura como uma ferramenta para auxiliar a qualidade e produtividade, tem mudado consideravelmente ao longo dos anos. No passado, quando se falava em Automao, o significado que nos vinha a mente era o de aumentar a quantidade de peas produzidas. A valorizao do volume vai aos poucos sendo substituda pela velocidade de atendimento, que nos leva impreterivelmente ao conceito de flexibilidade e neste item a robtica tem o seu espao garantido. Como esse segmento no era totalmente dominado, havia sempre uma grande indeciso no momento de investir, temendo no se conseguir o objetivo proposto ou at mesmo o fenmeno de uma possvel rejeio por uma tecnologia nova. Observamos que dentro daquelas empresas que investiram sem o mnimo de planejamento dentro do cho de fbrica, o insucesso se agravou mais ainda. O modismo cede lugar a uma mudana de comportamento por parte das empresa, que preferem antes de comear a adquirir equipamentos com alto grau de sofisticao, pesquisarem bastante com profissionais capacitados ou com outras empresas que j passaram por esta experincia; isto com certeza diminui a possibilidade de uma m implantao. Hoje podemos observar que adquirir mquinas a comando numrico, sistema CAD/CAM, robs, CLP, ou qualquer nova tecnologia no mais privilgio de grandes empresas e sim de todas aquelas que querem evoluir, isto pode se atribuir ao fato de um nmero maior de empresas ofertando tcnologias avanadas, o que acarreta uma reduo do custo do equipamento . Exemplos de mercado mostram que o grande "tab" existente na implantao de sistemas modernos, foi gerado pelas experincias negativas obtidas por aqueles que no se preocuparam em preparar a fbrica antes da inovao. Salvo raras excees, a maioria das implantaes de uma nova tecnologia, feita sem nenhuma preparao para o recebimento da mesma. Esta preparao deve sempre ser pensada em dois nveis diferentes: infra-estrutura dentro da empresa e pessoal envolvido diretamente e indiretamente. O caminho menos procurado, porm o mais eficiente, comear com o treinamento de todas as pessoas envolvidas com a tecnologia recm adquirida, antes mesmo da chegada da equipamento. Uma boa estratgia o de promover palestras participativas com todas as pessoas, que sero a princpio, os clientes deste novo sistema; sempre ressaltado as vantagens, que tipo de melhoria ir gerar para o crescimento da empresa, melhoria na competitividade em relao aos concorrentes, porm nunca esquecendo de ressaltar as limitaes. Quando se vai adquirir um equipamento novo, recomendvel que se examine sempre algumas caractersticas desejveis em qualquer tipo de segmento da rea de automao:


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Flexibilidade

Facilidade que apresenta determinado sistema de fabricao de ser reprogramado para fabricar novas peas. Complexidade o grau de dificuldade de manufatura de uma pea mecnica. No caso de usinagem est diretamente ligado a sua geometria. Repetibilidade a capacidade de manter dentro de uma tolerncia determinada as medidas de uma pea para outra. Produtividade a capacidade de fabricar determinado lote de peas no menor espao de tempo possvel, sem prejuzo da qualidade. Em resumo podemos dizer que: desejvel que uma mquina-ferramenta ou sistema seja flexvel na mudana de operaes, que seja capaz de executar tarefas complexas, que possa garantir mxima repetibilidade de uma tarefa para outra e que essas caractersticas sejam aliadas a uma alta produtividade. As vezes somos tentados a pensar em adquirir um equipamento com alto grau de sofisticao mecnica e eletrnica, somente para o aumento do volume de produo de peas; porm se analisarmos apenas esta necessidade, vamos ver que a deciso dever apontar para a mquina automtica. Este automatismo evoluiu ao longo do tempo at chegar a um nvel mximo, gerando o sistema transfer, onde a filosofia de projeto se resume na construo de uma mquina para uma determinada pea. Vol. peas

rigidez Maquina Automtica Mquina Universal

Transfer

Tempo de setup fig.1


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O processo convencional de produo sempre apresentou 3 grandes inconvenientes: Cansao Lentido Impreciso

intensifica com o aumento do nmero de peas.

Estes inconvenientes foram eliminados com a criao da mquina automtica, que foi gerada com a filosofia de aumentar o nmero de peas produzidas. Podemos dizer que quanto mais um sistema for rgido, mais produtivo ele ser. Este tipo de sistema torna-se vivel apenas para um grande nmero de peas ( grandes lotes ), pois geralmente eles so bastantes trabalhosos para serem montados, como por exemplo, a fabricao de cames para tornos automticos. Hoje vemos que a rapidez no atendimento o caracterstica mais procurada na terceirizao dos trabalhos, o que faz com que os Sistemas Flexveis de Manufatura FMS, ocupem cada vez mais os espaos das mquinas automticas. Em uma viso bastante simplria, o FMS composto de mquinas automatizadas alimentadas por um sofisticado sistema de transporte onde toda a movimentao de peas feita com o auxlio de pallets e robs. Cada clula de produo est equipada com ferramental suficiente para manufaturar qualquer tipo de pea que entra na linha. Neste tipo de linha de produo, os robs so tambm usados para troca de ferramentas aps o recebimento de um sinal de um controle adaptativo. Da tentativa de atender ao conceito da complexidade e tambm aos demais que acabamos de ver, se originou a tecnologia da mquina-ferramenta programvel por coordenadas numricas, que tirou de cada sistema todas as caractersticas desejveis. Em 1947, um pequeno fabricante de hlices para helicpteros, John Parsons, inventou uma mquina comandada por informaes numricas. O resultado desejado era o de reduzir as operaes de controle das hlices, muito demoradas e dispendiosas. No ano seguinte, a Fora Americana se interessou pelo estudos de Parsons e resolveu financiar o projeto com trs eixos controlados. Cinco anos depois (1953), o MIT apresentou a fresadora, e o resultado foi excelente, sendo o sistema chamado de "Numerical Control".


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Podemos analisar a interferncia do homem observando o quadro a seguir:

Mquina Universal Flexibilidade Produtividade Repetibilidade Complexidade SIM Depende do operador Depende do operador Depende do operador

Mquina Automtica NO SIM SIM Depende do montador

Mquina a CNC SIM SIM SIM SIM1

Resumo Histrico 1947 - Contrato entre JOHN PARSONS e a USAF para a construo de mquinas a CN. 1957 - Desenvolvimento da linguagem automtica para mquina a CN, chamada APT (Automatically Programed Tools). 1962 - Abendix desenvolve o controle adaptativo. 1967 - Instalao das primeiras mquinas a CN no Brasil. 1970 - Surgimento das mquinas a CNC. 1977 - Aplicao de microprocessadores em mquinas a CNC. 1982 - Uso do Chip.

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Depende do programador nas unidades antigas (sem ciclo fixos) CEFET/RJ CURSO TCNICO DE MECNICA - FUNDAMENTOS DE ROBTICA -

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I.2 A ROBTICA NO BRASILA evoluo da tecnologia beneficiou as grandes empresas a partir do momento em que a qualidade de seus produtos melhorou e principalmente pela reduo da mo de obra. Robs so capazes de substituir vrios trabalhadores em tarefas repetitivas, perigosas e insalubres e produzir com muito mais qualidade e rapidez e por um custo inferior a de um trabalhador. Em um processo robotizado temos a principal vantagem das variveis no se alterarem, o que no acontece em um sistema onde o homem o responsvel por cada movimento a ser feito. At a dcada de 80, robs industriais eram um luxo que apenas algumas montadoras de automveis podiam dispor. Desde ento, os custos de aquisio e manuteno dos robs tm cado cada vez mais e as vendas no param de crescer. Segundo Roberto Camanho, presidente da Sociedade Brasileira de Automao Industrial e Computao Grfica - SOBRACON, o nmero de robs instalados no Brasil no passa de 2000, porm o mercado brasileiro tem crescido num ritmo semelhante ao do resto do mundo. Apesar da crise, o ritmo de crescimentos dos ltimos anos deve ser mantido na Europa e as fbricas devero contar com 11% a mais de robs que em 2000. As projees ainda apontam que a populao mundial de robs deve chegar a quase 1 milho de unidades em 2004. Antes delimitados atuao no segmento automobilstico e vistos como ameaas ao contingente humano trabalhador, os robs esto sendo utilizados em atividades bem diversificadas, inclusive as logsticas, e poupando os homens de tarefas insalubres . Os robs esto, finalmente, vindo para o Brasil. Esta a concluso a que chegaram os pesquisadores internacionais sobre robtica. No final de 2002, a Comisso Econmica das Naes Unidas para a Europa publicou o "World Robotics 2002" relatrio anual produzido em cooperao com a Federao Internacional de Robtica IFR, na sigla em ingls , em que se constata que o Brasil um mercado em crescimento acelerado. De acordo com a ONU, o negcio de robs moveu-se da sia e Amrica do Norte para a Europa, alm de pases como o Brasil. Atualmente, h 760 mil robs industriais no mundo, sendo 360 mil no Japo, 220 mil na Unio Europia e 100 mil na Amrica do Norte. Na Amrica Latina, foram instalados 1,8 mil robs entre 1999 e 2001. Deste total, 800 haviam sido instalados nas empresas brasileiras somente no ano de 2001. "Os investimentos nestes equipamentos no Brasil foram maiores do que os realizados na Austrlia, Rssia, Sua, Cingapura e Taiwan", afirma Jan Karlsson, o autor do estudo. "O Brasil , sem dvida, um mercado crescente." Na avaliao da Comisso, o que contribuiu para o aumento de robs nas fbricas dos pases em desenvolvimento nos ltimos anos foi o preo cobrado pela nova tecnologia um rob hoje custa apenas 20% do que custava em 1990 e o aumento dos custos trabalhistas. Alm disso, a maior produtividade conseqente da utilizao dos robsCEFET/RJ CURSO TCNICO DE MECNICA - FUNDAMENTOS DE ROBTICA 8

possibilita que o investimento seja recuperado em dois anos, informa o estudo. Ainda de acordo com o mesmo relatrio, os robs esto nos mais diversos setores e com diferentes finalidades. A Comisso inclui em sua lista no apenas as unidades instaladas em processos industriais, mas tambm os robs usados em cirurgias, na construo civil, em laboratrios e no espao. Apesar do aumento significativo, o nmero de robs no pas ainda est longe daqueles apresentados pelas economias desenvolvidas. Mas, apesar disso, a robotizao est mudando o cenrio da indstria brasileira. Contribuem para o mundo da robtica no Brasil os fabricantes : A ABB, companhia global de tecnologia e engenharia que, no Brasil, instalou robs em diversos setores da indstria, principalmente na automobilstica e na de autopeas. A empresa tem fbricas em Osasco e Guarulhos (SP), Betim e Montes Claros (MG), Blumenau (SC), Cachoeirinha (RS) e Camaari (BA), empregando mais de 7 mil funcionrios. No mundo, emprega cerca de 165 mil pessoas em mais de 100 pases. A Kuka Roboter do Brasil, outra fbrica do segmento robtica, est presente em 21 pases e produz 6 mil robs por ano, com destacada atuao no mercado global, sendo a primeira na Alemanha, segunda na Europa e a terceira no mundo, segundo dados da prpria companhia. Tem matriz em So Paulo e uma unidade em Curitiba. A Yaskawa/Motoman Eltrico do Brasil, subsidiria da Yaskawa Electric Corporation, no Brasil desde 1974. Durante esse tempo, desenvolveu grandes projetos de automao na Cosipa, na CSN, na Usiminas e na Companhia Siderrgica de Tubaro CST. Atualmente, os robs Yaskawa esto instalados em importantes companhias do setor automobilstico, como General Motors, Mercedes-Benz, Honda e Volkswagen, e em vrias indstrias de autopeas.

I.3 ALGUNS ESTUDO DE CASOSTambm no Brasil os robs so usados no empacotamento e paletizao de comida congelada. A gerente da ABB lembra que o caso de uma indstria de alimentos que mantm robs de manipulao e outros na seqncia de uma mquina de moldar quibes. Os produtos passam por um freezer e vo ser colocados em colmias de plstico. Em seguida, outro rob recolhe as bandejas de plstico e as coloca dentro das caixas. Um terceiro pega essas caixas e as deposita dentro de uma caixa maior. E um quarto rob, ainda, se encarrega do empilhamento dessas ltimas. " assim que o supermercado os recebe, com a menor manipulao humana possvel. E com o detalhe de que, ao longo do processo, os quibes no podem descongelar", explica. So essas, exatamente, as intenes de Jdici, da Corn Products. "Pretendemos automatizar as linhas diferenciadas e a paletizao a funo para qual estamos projetando o rob."CEFET/RJ CURSO TCNICO DE MECNICA - FUNDAMENTOS DE ROBTICA 9

Em sua opinio, a utilizao de robs traz melhor finalizao na rea de ensacamento. Com a aquisio, Jdici calcula gastar por volta de 150 mil dlares FOB. "Parece muito se comparado com equipamentos comuns de paletizao, mas o acabamento, a velocidade e a nointerrupo da atividades compensam", raciocina.Tremonti, da Yaskawa/Moto-man, informa que a companhia tambm est desenvolvendo aplicaes voltadas para paletizao porque acredita que um mercado que vai crescer muito no Brasil, seguindo a tendncia mundial. "Tivemos um incremento acentuado nos Estados Unidos no ano passado nas reas de paletizao e movimentao." H grandes multinacionais usando robs em paletizao e em outras atividades, mas isso acaba no aparecendo. A Yaskawa/Motoman possui uma linha chamada clean room, especial para a aplicao em laboratrios farmacuticos. Geralmente, trabalha em ambientes fechados, que devem ser preservados de qualquer contaminao. Aplicaes iguais a essa so ainda pouco comuns no Brasil. Mas caminha-se, sim, para o desenvolvimento de operaes to requintadas como a da Colgate, outro exemplo. H dois anos, a empresa investiu US$ 150 mil em um rob capaz de empilhar caixas de detergentes, denominado IRB 640. Foi o primeiro rob de paletizao vendido pela ABB no Brasil e instalado a fim de evitar problemas ergonmicos e economizar espao fsico. A Colgate queria prevenir que os operadores sofressem com problemas de ergonomia, como dores nas costas, devido ao trabalho pesado e aos movimentos repetitivos. Alm disso, a rea disponvel para montar os paletes era pequena e compacta, inviabilizando as paletizadoras convencionais. O IRB 640, alm de possuir quatro eixos e ser mais veloz que o de seis eixos, trabalha o dia inteiro manuseando caixas de detergente, com cerca de 13 quilos cada, das linhas automatizadas para os paletes. A flexibilidade do rob outra importante soluo para a linha de detergentes da empresa, pois o equipamento pode paletizar simultaneamente caixas de diferentes dimenses e pesos em espaos muito reduzidos. A Colgate tem trs fbricas com cerca de 27 linhas de produo automatizadas no total. Alm do IRB 640, j dispe de outros dois robs da ABB trabalhando nas fbricas de xampus e cremes dentais. reas insalubres alm da questo da segurana, a robotizao oferece vantagens como a garantia de tarefas repetitivas da produo e a adequao s funes insalubres e perigosas, apresentando reduo de custos e aumento da produtividade. O tempo mdio entre falhas de um rob superior a 50 mil horas. Em outros casos, a preciso milimtrica em operaes repetitivas faz do rob uma tecnologia imprescindvel para a modernizao das linhas de produo. A Philips, instalou robs para manusear e montar cinescpios de televiso entre fornos e esteiras, onde a temperatura elevada e os altos nveis de rudo e poeira so fortesCEFET/RJ CURSO TCNICO DE MECNICA - FUNDAMENTOS DE ROBTICA 10

entraves para a produtividade, segurana e qualidade de vida dos trabalhadores. Para quem coloca obstculos utilizao dos robs alm do preo como a sofisticao e o suporte tcnico, Patrcia da ABB explica que as empresas hoje em dia oferecem assistncia remota, como pela internet, por exemplo. "Os webservices so ininterruptos, no h o menor risco de o rob de uma empresa no Maranho, por exemplo, ficar sem assistncia tcnica.

I.4 ROBOTIZAO X EMPREGOA robotizao e a modernidade de empresas sempre o alvo dos que estudam ou se preocupam com o desemprego, mas esta discusso vem desde os tempos da primeira revoluo industrial. Sempre o homem teve medo da mquina. Sempre se coloca a culpa na mquina, antes mesmo que ela entre em funcionamento para provar que ela est desempregando. Isto visvel nos meios de comunicao que mostram a mquina fazendo o trabalho de vrios operrios como culpada pela perda de vagas para as novas tecnologias. Numa viso social podemos dizer que um mal que vem para o bem. Um mal a mquina substituir o homem e o bem o homem procurar uma outra profisso limpa, no poluente, que no prejudique a sua sade, etc. o caso dos robs que substituram pintores, soldadores, fundidores, britadores,etc. Mquinas cortadoras de cana, desfiadoras de sisal, amassadoras de argila em olarias, etc. A empresa uma instituio social com todos as suas leis e regras que reagem as relaes com as pessoas. A qualidade total TMQ, nos ensina que devemos buscar o comprometimento das pessoas que compem o grupo de trabalho. Envolver pessoas com a em presa em processos de produo tambm a outra forma que a aplicao da tcnica da qualidade numa empresa que quer aumentar a produtividade. So as pessoas que podero remover as barreiras para se conseguir o avano tecnolgico. Mesmo que a empresa no invista valores em grandes e modernas tecnologias poderemos treinar e informar nossos funcionrios para as novas tcnicas possam ser introduzidas e que se obtenha resultados positivos de melhoria em produtos, mercados e de competitividade. A empresa brasileira sofre com a falta de competitividade j que muito grande a distncia para as empresas internacionais multinacionais que assimilam as novas tecnologias mais rapidamente e na velocidade de suas descobertas e utilizao. Sabemos que as novas tecnologias exigem criao de ambientes de trabalho que requerem nova capacidades e conhecimentos. Informtica, processos robotizados, automatizaes eletrnicas, novas mquinas, etc. requerem profissionais mais atentos, multidisciplinares, multifuncionais, polivantes, pensamento holstico, disciplinados, treinados, maior agilidade mental, e em especial muita educao.


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O desemprego est e sempre esteve presente no Brasil de todos os tempos e sempre ouvimos a imprensa e sindicatos dizer que as novas tecnologias esto o agravando e nela imputando a culpa. Os pases do primeiro mundo j possuem seus sistemas de proteo ao trabalhador muito mais organizados, so mais rpidos. Com mecanismos quase automticos de apoio do que pases em desenvolvimento como o Brasil, e juntando-se esta dificuldade uma politicagem de sindicados , polticos, espertos e um jornalismo que tambm no tem a correta informao da melhor soluo para se enfrentar aquela nova tecnologia que ir atrapalhar a vida de alguns milhares de trabalhadores, acaba falando o incorreto e perdendo o bonde da vitria para mostrar a populao aflita, a soluo. Os homens criam as novas tecnologias para seu prprio benefcio, e so eles quem devero, com os seus conhecimentos , assimilar estas novas tcnicas e fazer usa delas par o seu desenvolvimento, e principalmente, para o de seu produto, empresa, cliente, etc. Mas no fcil. Existem mquinas que devem ser operadas por outro grupo de operrios e funcionrios que so mais aptos para deu exerccio. A a educao e o retreinamento se faz necessrio. O uso de robs para as indstrias passa a ser uma questo de sobrevivncia. Assim, resistir ao uso dos robs uma batalha perdida, principalmente devido forma acelerada com que eles caem de preo. Alm disso, o sucesso que as empresas e pases usurios de robs vem obtendo alto. O Japo, por exemplo, em dez anos conseguiu quadruplicar a sua produo de automveis, mantendo praticamente a mesma fora de trabalho. Conseqncias da Automao Eliminao de trabalho humano em operaes periculosas ou repetitivas; Mudana no perfil do trabalhador: de operador de mquinas para supervisor de mquinas. Necessidade crescente de educao generalizada. Desemprego estrutural: eliminam-se velhos postos de trabalho onde havia excesso de oferta de mo-de-obra e criam-se novos postos onde h escassez. Criao de mtodos de produo anti-fordistas, como os Crculos da Qualidade e as Clulas de Produo, em que um grupo pequeno de trabalhadores responsvel por todo o processo de produo. Poucos empregados operam mquinas operadas por controle numrico. A automao, em sntese, pode aumentar a eficincia e expandir a produo, por um lado, e reduzir tarefas repetitivas e aumentar os ganhos dos trabalhadores qualificados, por outro. Estes eram, precisamente, os objetivos de Frederick W. Taylor na virada no sculo XXI. Competir sem automatizao pode ser um sonho irrealizvel porm e bom lembrar que "As mquinas trabalham, muitas vezes melhor do que qualquer ser humano poderia trabalhar, mas no criam"CEFET/RJ CURSO TCNICO DE MECNICA - FUNDAMENTOS DE ROBTICA 12

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