READEQUAÇÃO TECNOLÓGICA MECÂNICA EM MANIPULADOR CARTESIANO …
62
1 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CÂMPUS FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA CURSO SUPERIOR DE BACHARELADO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA RAINARA BUENO ALDEBRAND READEQUAÇÃO TECNOLÓGICA MECÂNICA EM MANIPULADOR CARTESIANO DE SOLDAGEM FLORIANÓPOLIS, 2019
Transcript of READEQUAÇÃO TECNOLÓGICA MECÂNICA EM MANIPULADOR CARTESIANO …
1
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
CÂMPUS FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA
CURSO SUPERIOR DE BACHARELADO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA
RAINARA BUENO ALDEBRAND
READEQUAÇÃO TECNOLÓGICA MECÂNICA EM MANIPULADOR CARTESIANO DE SOLDAGEM
FLORIANÓPOLIS, 2019
2
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA
CATARINA CÂMPUS FLORIANÓPOLIS
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA CURSO SUPERIOR DE BACHARELADO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA
RAINARA BUENO ALDEBRAND
READEQUAÇÃO TECNOLÓGICA MECÂNICA EM MANIPULADOR CARTESIANO DE SOLDAGEM
Trabalho de conclusão de Curso submetido ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção de título de Bacharel em Engenharia Mecatrônica. Professor Orientador: Nelso Gauze Bonacorso, Dr. Eng.
FLORIANÓPOLIS, 2019
3
4
READEQUAÇÃO TECNOLÓGICA MECÂNICA EM MANIPULADOR
CARTESIANO DE SOLDAGEM
RAINARA BUENO ALDEBRAND
Este trabalho foi julgado adequado para a obtenção do Título de Bacharel em
Engenharia Mecatrônica e aprovado na sua forma final pela banca examinadora do
Curso de Bacharelado em Engenharia Mecatrônica do Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina.
Florianópolis, 13 de dezembro de 2019
Banca Examinadora:
5
6
Dedico este trabalho a minha família, aos meus amigos que sempre me ampararam e incentivaram e ao meu orientador por todo ensinamento e Paciência.
7
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço a Deus que me deu saúde e coragem para eu
poder alcançar o objetivo de ser Engenheira Mecatrônica.
Agradeço aos meus pais e a minha irmã por todo o suporte que me deram
durante minha vida, sem eles não conseguiria nada que conquistei até hoje.
Agradeço também a toda minha família que sempre me apoiou e torceu por mim.
Agradeço ao professor Nelso Gauze Bonacorso pela oportunidade de
trabalhar em um projeto como esse, além de toda ajuda e atenção dedicada durante
todo o desenvolvimento do trabalho e durante toda a graduação.
Aos professores do curso de Engenharia Mecatrônica por contribuírem
para o meu crescimento profissional e pessoal.
Agradeço a todos os técnicos do MOP, que me ajudaram sempre que
precisei, agradeço também ao Vinicius Vicente que me ajudou muito na realização
de todas as peças desenvolvidas no projeto.
Agradeço aos meus amigos e parceiros de graduação Bruna Karolina
Schneider e Marcus Vinicius da Silva, que sempre me apoiaram e me ajudaram
durante todo esse trajeto.
Por fim, agradeço a todos os meus amigos que sempre estiveram comigo
durante grande parte da minha vida, que sempre me ajudaram e me apoiaram nos
momentos mais difíceis com palavras de incentivo.
8
“A melhor forma de prever o futuro é criá-lo.”
(Peter Drucker)
9
RESUMO
Em virtude do mercado de trabalho atual estar mais exigente e com demandas de
produção cada vez maiores, as indústrias estão buscando a tecnologias alternativas
para suprir a necessidade de mão de obra com maior eficiência e repetibilidade.
Nesse sentido, robôs industriais e manipuladores buscam reproduzir as operações
realizadas pelo ser humano e tem sido o foco nas aplicações, tanto de fabricação,
quando de manutenção. Esses equipamentos automáticos além de incrementar a
qualidade e a produção, reduzem a exposição do homem em situações de risco e
a processos insalubres. Entretanto, essas tecnologias que estão em aprimoramento
contínuo pelos seus fabricantes, são pouco viáveis em indústrias de baixo e médio
porte, e nos laboratórios das instituições de ensino superior, devido aos elevados
custos de aquisição e complexidades operacionais dos referidos equipamentos.
Nesse contexto, a readequação tecnológica de robôs industriais e manipuladores
desatualizados e/ou inoperantes é uma excelente opção quando é realizada com
base no trinômio: baixo custo, confiabilidade de operação e curto prazo de
execução. Diante deste cenário supracitado, o presente trabalho de conclusão de
curso visa readequar tecnologicamente o compacto manipulador de soldagem de
cadeia cinemática serie XZY do IFSC via o projeto, fabricação e instalação de novos
componentes mecânicos. A concepção da readequação tecnológica partiu da
necessidade de corrigir os problemas existentes no projeto do protótipo anterior. O
braço cartesiano do manipulador de soldagem obtido após a readequação
tecnológica possui dimensões de 1050 x 395 x 500 mm, um volume de trabalho de
870 x 85 x 195 mm, uma massa de 40 kg. Por fim, o manipulador de soldagem será
parametrizado, testado e documentado.
Palavras-chave: Retrofitting. Robustez mecânica. Soldagem automática. Servo
acionamento. Usabilidade.
10
ABSTRACT
Because today's labor market is increasingly demanding production-wise, industries
are looking for alternative technologies to meet the demand for more efficient and
repetitive labor. In this sense, industrial robots aim to reproduce operations that are
usually done by humans, which has been the focus of both manufacturing and
upkeep applications. These automatic equipments not only increase quality and
production, but also reduce human exposure to risky situations and unhealthy
processes. However, these technologies, which are continually improved by their
manufacturers, are unviable in the medium and small industries, and in the labs of
higher education institutions, due to the high acquisition costs and operational
complexities of the equipment used. In this context, a technological update of
outdated/inoperative industrial robots is an excellent option when performed based
on the tripod made up of low cost, trustworthy operations and a short execution
period. Given this scenario, the present course completion work aims to
technologically update the IFSC XZY kinematic series chain pump via the creation,
manufacturing and installation of new mechanical components. The conception of
the partial technological update was born from the need to correct the existing
problems in the previous prototype design. The measurements obtained of the
Cartesian arm of the welding manipulator after technological rehabilitation has
dimensions 1050 x 395 x 500 mm, a workload of 870 x 85 x 195 mm, and a mass of
40 kg. Finally, the welding manipulator will be parameterized, tested and
documented.
Keywords: Retrofitting. Mechanical robustness. Automatic welding. Servo drive.
Usability.
11
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 : Sistemas automáticos presentes na indústria............................. 15
Figura 2: Aplicação de manipuladores de soldagem, em (a) fabricação naval
- solda de costado de navio e (b) manutenção de dutovias.........................16
Figura 3: Braço mecânico cartesiano, em (a) o modelo CAD e 9b) protótipo
de cinco eixos XZY ....................................................................................... 17
Figura 4: Gabinete eletroeletrônico com indicações dos principais
componentes................................................................................................18
Figura 5: Definições de retrofitting................................................................21
Figura 6: Classificação dos processos de soldagem a partir da união. ....... 23
Figura 7: Processo de soldagem MIG/MAG ................................................. 24
Figura 8: Processo de soldagem a arco submerso ...................................... 25
Figura 9: Processo de soldagem TIG ........................................................... 27
Figura 10: Principais categorias de robôs: robôs indústriais em (a) e (b),
veículo autoguiado em (c) e robô humanoide em (d). .................................. 28
Figura 11: Robôs indústriais, em (a) antropomórfico de 6 DOF e em (b)
cartesiano de DOF. ....................................................................................... 29
Figura 12: Manipuladores, em (a) Sumig e (b) Bug - O System...................31
Figura 13: Estrutura proposta do robô cartesiano e orientação dos eixos ... 33
Figura 14: Guias lineares..............................................................................34
Figura 15: Guias lineares do eixo X no projeto.............................................35
Figura 16: Falha nos patins do eixo Y .......................................................... 36
Figura 17: Sistema de movimentação do eixo X .......................................... 37
Figura 18: Disposição dos redutores do eixo X, vista lateral direita ............. 37
Figura 19: Disposição dos redutores do eixo X, vista isométrica ................. 38
Figura 20: Sistema de movimentação por correia aberta dos eixos Z e Y ... 39
Figura 21: Disposição dos redutores do eixo Z, vista superior..................... 39
Figura 22: Disposição dos redutores do eixo Z, vista isométrica ................. 40
Figura 23: Disposição dos redutores do eixo Y, vista superior .................... 40
Figura 24: Disposição dos redutores do eixo Y, vista superior .................... 41
12
Figura 25: Transmissão do manipulador em (a) eixo projetado e (b) polia
motriz com chanfro........................................................................................41
Figura 26: Isolamento de poliacetal em (a) modelo CAD e (b) aplicação da
peça no manipulador.....................................................................................42
Figura 27: Esticador de correia eixo X..........................................................43
Figura 28: Esticador de correia dos eixos Z e Y...........................................44
Figura 29: Esticador de correia acoplado ao eixo ........................................ 44
Figura 30: Seção transversal dos perfis utilizados ....................................... 45
Figura 31: Novo manipulador cartesiano......................................................47
Figura 32: Parâmetros de corrente do motor................................................48
Figura 33: Parâmetros de planejamento de trajetória do motor ................... 49
13
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Valores de resistência mecânica dos patins ..........................................36
Tabela 2 - Parâmetros de torque dos eixos X/Z.......................................................49
Tabela 3 – Parâmetros de torque do eixo Y.............................................................49
Tabela 4 – Parâmetros de Posição eixo X..............................................................49
Tabela 5 – Parâmetros de posição eixo Y................................................................50
Tabela 6 – Parâmetros de posição eixo Z................................................................50
14
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CNC – Comando Numérico Computadorizado
CO2 – Dióxido de Carbono
DAMM – Departamento Acadêmico de Metal Mecânica
EUA – Estados Unidos da América
GMAW – Gas Metal Arc Welding
GTAW – Gas Tungsten Arc Welding
He – Hélio
IFSC – Instituto Federal de Santa Catarina
MAG – Metal Active Gas
MIG – Metal Inert Gas
N2 – Nitrogênio
O2 – Oxigênio
RIA – Robot Industries Association
SAW – Submerged Arc Welding
TIG – Tungsten Arc Welding
TCC – Trabalho de Conclusão de Curso
15
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO..........................................................................................................16
1.1. Definição do Problema...........................................................................................18
1.2. Objetivos..................................................................................................................18
1.2.1. Objetivo Principal......................................................................................................19
1.2.2. Objetivos Específicos................................................................................................19
1.3. Justificativa..............................................................................................................19
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA................................................................................21
2.1. Retrofitting..............................................................................................................21
2.2. Soldagem.................................................................................................................22
2.3. Principais procesos de soldagem para estruturas metalicas...........................23
2.3.1. Soldagem a arco elétrico........................................................................................ 23
2.3.2. Soldagem a arco submerso.....................................................................................25
2.3.3. Soldagem TIG..........................................................................................................26
2.4. Robôs industriais versus manipuladores de soldagem.....................................27
2.4.1. Robos industriais......................................................................................................27
2.4.2. Manipuladores de soldagem....................................................................................30
3. DESENVOLVIMENTO............................................................................................. 33
3.1. Substituição dos patins ........................................................................................34
3.2. Acoplamento manipulador e trilho........................................................................36
3.3. Acoplamento entre eixos e polias...........................................................................42
3.4. Isolamento elétrico no trilho..................................................................................42
3.5. Esticador de correia..................................................................................................42
3.6. Redução do número de peças.................................................................................45
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES..............................................................................47
4.1. Modelagem mecânica............................................................................................. 47
4.2. Parametrização......................................................................................................... 48
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS..................................................................................... 52
6. REFERÊNCIAS.........................................................................................................54
7. ANEXOS...................................................................................................................57
16
1. INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas, o desenvolvimento voltado para a área industrial
visou à criação de dispositivos “programáveis”, aumentando a abrangência e
flexibilidade dos equipamentos industriais, fornecendo assim uma grande
capacidade de desenvolvimento de melhorias nos processos e redução nos custos.
De acordo com (INOUE, 2012) sistemas automáticos, como robôs, estão
presentes em diversos setores da economia, incluindo os setores agrícola,
industrial, comercial e predial, como mostra a Figura 1. Com o avanço da tecnologia,
diversas atividades estão sendo realizadas por máquinas CNC e robôs, cuja
utilização nestes diversos setores da economia cresce de maneira expressiva.
Figura 1 – Sistemas automáticos presentes na indústria.
Fonte: Engeteles (2019).
17
A fabricação de robôs industriais encontra-se em um patamar acima
daquele encontrado nas universidades. Em contrapartida, o custo para aquisição
desses equipamentos é extremamente alto, o que torna sua utilização e
conhecimento restritos, tanto pelas pequenas empresas como por profissionais e
instituições de ensino.
Visando difundir o conhecimento da tecnologia robótica, grupos de
pesquisadores desenvolvem projetos de baixo custo e de menor complexidade,
geralmente, para aplicações específicas em pequenas empresas, ao
entretenimento (hobby) ou para fins didáticos. Esses equipamentos, conhecidos por
manipuladores demandam pouco investimento de desenvolvimento, pois são
equipamentos relativamente simples, leves, portáteis e baratos, conforme mostra a
Figura 2. Por ser um equipamento portátil, podem ser empregados em diversas
operações, mas tem ganhado foco nas atividades atribuídas a solda e são aplicados
em ambientes que são inóspitos para o trabalho humano e com alto risco, como na
construção naval, manutenção de dutovias, são alguns exemplos do emprego dos
robôs manipuladores. (INOUE, 2011).
Figura 2 – Aplicação de manipuladores de soldagem, em (a) fabricação naval – solda de
costado de navio e (b) manutenção dutoviária.
(a)
(b)
Fonte: Adaptado de (INOUE, 2011).
Devido ao crescente uso de manipuladores de soldagem por empresas
de fabricação e de manutenção e também pela necessidade de equipar o laboratório
de soldagem do DAMM para desenvolver atividades de ensino e de pesquisa, a
18
readequação tecnológica de um manipulador de soldagem do IFSC, passou a ser
tratado como tema de dois TCCs. Este manipulador cartesiano de soldagem com
cinco graus de liberdade e cadeia cinemática mista, foi desenvolvido como tema
dos mestrados de HUBERT (2011) e PIRES (2014), conforme mostra a Figura 3.
Figura 3 – Braço mecânico cartesiano, em (a) o modelo CAD e (b) protótipo de cinco eixos
XZYAB.
(a)
(b)
Fonte: HUBERT (2014).
O presente TCC trata da readequação tecnológica dos três primeiros
eixos lineares (XZY) da cadeia cinemática série deste manipulador responsável pelo
posicionamento da tocha, enquanto que o outro TCC trata da readequação
tecnológica dos dois últimos eixos rotativos (AB) da cadeia cinemática paralela
responsável pela orientação da tocha de soldagem.
O equipamento original possui dimensões máximas de 1100 x 400 x 400
mm e um espaço de trabalho (XZY) de 875 x100 x175 mm disposta a 90º entre si.
Todo o equipamento pesa 40 kg (20 kg do braço mecânico e 20 kg do gabinete
eletroeletrônico, Figura 4, o que o torna fácil para transportar e aplicar na indústria
ou em campo, tem uma capacidade de carga maior que 2 kg e atinge uma
velocidade de posicionamento de até 667 mm/s.
19
Figura 4 – Gabinete eletroeletrônico com indicação dos principais componentes.
Fonte: PIRES (2014).
1.1. Definição do Problema
Os problemas mecânicos no manipulador de soldagem surgiram logo
após a sua conclusão em função de:
- Escorregamento entre eixos e polias devido a fixação por
parafuso;
- Desgaste dos patins do eixo Z por excesso de carregamento;
- Longos tempos e desgastes mecânicos nas desmontagens e
montagens em função da participação em eventos;
- Oxidação de parafusos e de partes mecânicas;
- Excesso de peças de suporte;
- Rigidez mecânica;
1.2. Objetivos
Diante dos problemas operacionais do manipulador de soldagem do
IFSC supracitados, o presente trabalho de conclusão de curso tem os objetivos
descritos a seguir.
20
1.2.1. Objetivo Principal
Readequar tecnologicamente a cadeia cinemática serie XZY do
manipulador de soldagem do IFSC para desempenhar atividades de ensino,
pesquisa e extensão, que servirá como porta de entrada para estudos sobre robôs
industriais e soldagem, sendo capaz de servir como referência didática para práticas
de laboratórios e projetos de pesquisa e extensão.
1.2.2. Objetivos Específicos
Para cumprir plenamente com o objetivo principal desta monografia, será
necessário realizar todos os seguintes objetivos específicos:
- Estudar e avaliar a parte mecânica do original manipulador
cartesiano de soldagem;
- Propor soluções de melhorias para o manipulador;
- Integrar as soluções no manipulador;
- Parametrizar o servo acionamento de cada eixo cartesiano;
- Testar e avaliar as soluções inseridas no manipulador;
- Testar e avaliar a operação de HOME dos eixos cartesianos;
- Documentar a readequação tecnológica e publicar seus
resultados.
1.3. Justificativa
A iniciativa básica da indústria é a busca constante por maior eficiência
e produtividade em cada uma das atividades que a mesma realiza. Equipamentos
que possuem a capacidade de serem realocados, reprogramados ou que possam
ser utilizados na fabricação de mais de um produto tornam-se essenciais no
ambiente dinâmico da indústria (INOUE, 2012).
Com o avanço da tecnologia, as aplicações de manipuladores
cartesianos de soldagem que, apesar de serem limitados quanto ao espaço de
trabalho, possuem a relação custo/benefício bem menor do que os robôs industriais.
21
Sendo assim, acaba se tornando uma boa opção para empresas dos setores de
fabricação e manutenção mecânica.
Como a proposta desse trabalho é um Retrofitting mecânico no
manipulador cartesiano de solda do IFSC, a fim de tornar o equipamento mais
robusto, com uma resistência mecânica maior, tornando o manipulador modular,
flexível e de fácil manutenção, propicio para a utilização no meio industrial quando
no meio acadêmico.
É importante ressaltar que frequentemente, em ambientes acadêmicos,
tem-se dificuldade em compreender melhor as aplicações práticas dos conceitos
aprendidos durante o curso. Dessa forma, há a necessidade da utilização de
equipamentos para uso didático. O manipulador cartesiano de soldagem irá suprir
e auxiliar no entendimento dos projetos de pesquisa que envolve distintos processos
de soldagem e servir como base para pesquisas e em futuros TCCs. Tendo em vista
essa demanda supracitada, o seguinte Trabalho de Conclusão de Curso – TCC visa
contribuir para a mudança dessa realidade nacional, no setor tecnológico de
soldagem.
22
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. Retrofitting
De acordo com Ribeiro (2007) o retrofitting é entendido como uma “prática
de reforma de equipamentos industriais obsoletos, a fim de aumentar sua vida útil,
através da incorporação de melhorias tecnológicas e utilização de novos matérias e
processos, como mostra a Figura 5.
Devido ao alto investimento para obtenção de máquinas novas, a adoção
do procedimento de retrofitting em máquinas desatualizadas torna-se uma opção
viável ao empresário que necessita otimizar sua produção. A palavra retrofitting teve
sua origem nos EUA e significa literalmente readequar, como mostra a Figura 5.
Assim, uma atualização tecnológica compreende apenas o processo de agregar
recursos a um equipamento já existentes com objetivo de que o mesmo se adeque
a nova demanda de fabricação, enquanto que a readequação é a combinação de
atualização tecnológica com reforma, sendo que esta pode ser entendida como a
restauração das partes danificadas do equipamento. A solução mais buscada pelas
empresas na execução deste procedimento de readequação passa pelo trinômio:
qualidade com garantia do serviço, prazo curto de entrega e baixo custo
(PANSIERA, 2002).
Figura 5– Definição de retrofitting
Fonte: Adaptado de (PANSIEIRA, 2002).
23
Sendo assim, é possível entender o retrofitting como uma atividade que
possui por objetivo o prolongamento da vida útil dos equipamentos,
recondicionando-os as suas características originais por meio de reparos e/ou
modernização. Além disso o retrofitting também serve como estratégia de baixo
custo em um processo de atualização tecnológica.
2.2. Soldagem
Por apresentar grande emprego e envolver volume considerável de
atividades, a soldagem tem posição de destaque entre os processos de união de
materiais. Com ela, a união dos metais e de suas ligas podem ser realizadas através
da fusão dos mesmos com ou sem material de adição. Em suma, torna as partes
soldadas uma só unidade, sendo que a junta soldada pode ter resistência mecânica
superior ao metal de base.
A soldagem apresenta grande versatilidade no que diz respeito a sua
empregabilidade e custos de fabricação, além de conferir excelentes propriedades
mecânicas as uniões metálicas. Segundo Kuntz (2016), atualmente através do
emprego de técnicas modernas, muitos processos de soldagem ou variações destes
são usados para deposição de material sobre uma superfície, visando a recuperação
de peças desgastadas ou para a formação de um revestimento com características
especiais. Em linhas gerais. A soldagem é um conjunto de processos de manufatura
pelos quais duas partes metálicas são unidas permanentemente pela “coalescência”
da interface de contato, que é induzida pela combinação de temperatura, pressão e
condições metalúrgicas. (KIMINAMI; CASTRO; OLIVEIRA, 2013).
Segundo Machado (1996), existem três grandes grupos de processos
dedicados a união dos materiais, sendo eles, a soldagem, a brasagem e a solda
branda, além dos adesivos, o corte térmico e a pulverização térmica. A Figura 6
ilustra a classificação dos processos de soldagem a partir da união, fazendo
referência a fusão com arco elétrico.
24
Figura 6 – Classificação dos processos de soldagem a partir da união.
Fonte: (WAINER; BRANDI; MELLO 1992).
2.3. Principais processos de soldagem para estruturas metálicas
2.3.1. Soldagem a arco elétrico
O processo de soldagem MIG/MAG (Metal Inert Gas / Metal Active Gas
– também conhecido como GMAW (Gas metal Arc Welding)) é um processo que se
baseia na fonte de calor de um arco elétrico, mantido entre a extremidade de um
aram nu consumível, alimentado continuamente, e a peça a soldar. A proteção da
região da solda é realizada por uma atmosfera protetora de gás inerte (Argônio (Ar)
e Hélio (He)) ou um gás ativo (CO2 ou mistura O2 e N2) (SCOTTI; PANOMAREV,
2008).
Este modo de soldagem, pode ser utilizado com gás ativo ou gás inerte,
dependendo de qual tipo de trabalho será desenvolvido. De um modo geral, o
processo GMAW apresenta características similares ao esboçado na Figura 7.
25
Figura 7 – Processo soldagem MIG/MAG.
Fonte: (JUNIOR; CABRAL, 2008).
A Figura 7 representa um esquemático do processo de soldagem
MIG/MAG. Pode-se observar que a soldagem é feita pelo arco elétrico produzido na
tocha de solda, assim como o gás inerte protege a poça de fusão de contaminantes
presentes na atmosfera.
A soldagem MIG/MAG, segundo (FORTES, 2007) possui diversas
vantagens sobre os outros métodos de soldagem, como por exemplo, uma maior
flexibilidade em relação a quantidade de materiais que esse é capaz de soldar.
Outras vantagens são a facilidade de operação, poder soldar em diversas posições,
alta produtividade, a ausência de necessidade de remoção de escoria, além da
possibilidade de automatização do processo. Porém, é um processo cujo ajuste é
bastante complexo, além de não ser aconselhada sua operação em locais com
correntes de ar.
O conceito inicial de soldagem por arco elétrico com gás de proteção foi
introduzido na década de 20, porém seu desenvolvimento final e a introdução no
mercado ocorreu somente na década de 40, com o objetivo inicial de ser utilizada
para soldagem de alumínio e outros materiais não ferrosos. Entretanto, em pouco
tempo essa técnica também começou a ser utilizada para soldagem de aços, devido
a sua velocidade. Com o decorrer dos anos, essa técnica sofreu melhorias e com
isso passou a ser uma das mais utilizadas no ambiente industrial, devido a sua
26
velocidade, a qual sempre foi observada, baixo custo e adaptação relativamente
fácil a automação, proveniente a sua evolução com o tempo.
2.3.2. Soldagem a arco submerso
Na soldagem a arco submerso SAW (Submerged Arc Welding), os
eletrodos são fios metálicos sem revestimentos, porem o arco voltaico e o metal
fundo fica isolado pelo material granular denominado de fluxo (PFEIL E PFEIL,
2009).
Este tipo de processo utiliza eletrodo nu e um tubo de fluxo com material
granulado que é alimentado continuamente podendo ser automático ou
semiautomático. O fluxo granulado funde-se parcialmente e forma uma camada de
escoria liquida que é retirada depois da solidificação, Figura 8. O processo possui
uma alta velocidade de deposição e uma maior penetrabilidade. Este tipo de solda
é executado de forma continua, na posição plana ou horizontal e é ótimo para soldas
de filete (PINHEIRO, 2005).
Figura 8 – Processo de soldagem a arco submerso.
Fonte: (PEREIRA, 2000).
27
Este equipamento de soldagem de arco submerso necessita de fonte de
energia constante, e também é alimentado por arame juntamente com um sistema
de controle, tocha de soldagem, porta fluxo e sistema de deslocamento da tocha.
Normalmente esse processo é bastante usado na soldagem de
estruturas metálicas, na recuperação de peças desgastadas. Esse tipo de
equipamento trabalha normalmente com corrente de soldagem elevadas
aproximadamente superiores a 100 A, e pode chegar a depositas o material do
arame de soldagem de até 45 kg/h aproximadamente.
2.3.3. Soldagem TIG
Também conhecido como GTAW (Gas Tungsten Arc Welding), o
processo TIG (Tungsten Inert Gas), foi patenteado no final da década de 20, e
utilizado comercialmente a partir de 1942, para a soldagem de magnésio em
assentos de aviões, nos Estados Unidos (WAINER; BRANDI; MELLO, 1992).
De acordo com Wainer, Brandi e Mello (1992), o processo é empregado
nos dias de hoje para a soldagem de alumino, de magnésio, de titânio e aços
inoxidáveis, produzindo uma solda de excelente qualidade.
O processo TIG utiliza como princípio de fusão o arco elétrico para a
união do material de adição e as peças metálicas. O arco elétrico nesse processo é
resultante da diferença de potencial entre o eletrodo não consumível e a peça.
Gases inertes ou misturas desses são utilizados nesses processos para a proteção
da poça de fusão conta contaminantes da atmosfera e também para a estabilização
do arco elétrico. Na Figura 9 é mostrado como é formado o processo TIG.
28
Figura 9 – Processo de soldagem TIG.
Fonte: (MARQUES; MODENESE; BRACARENSE, 2009).
Esse processo possui excelente controle do arco elétrico, pois a fonte de
energia e o metal de deposição são variáveis independentes, facilitando a sua
utilização em peças finas. Outra característica do processo TIG é a utilização do
eletrodo não consumível, possibilitando a soldagem sem material de adição. Pelo
fato da utilização do gás inerte, esses não formam reações metal-gás e metal-
escoria, diminuindo a geração de fumos e vapores metálicos, possibilitando maior
visibilidade do soldador e não necessitando de limpeza (MARQUES; MODENESI;
BRACARENSE, 2009).
2.4. Robôs industriais versus manipuladores de soldagem
2.4.1. Robôs industriais
Segundo Marques, Modenesi e Bracarense (2011) qualquer sistema ou
conjunto de equipamentos eletrônicos e/ou mecânicos que controlam o seu próprio
funcionamento com o mínimo de intervenção humana, são considerados robôs. A
classificação quanto ao tipo de operação conforme é baseada nas atividades
necessárias para a elaboração da solda.
De acordo com a Robot Industries Association (RIA) que elaborou uma
definição para ajudar a identificar máquinas que podem ser classificadas como
robôs industriais: um robô é uma máquina reprogramável e multifuncional
29
designada para manipular materiais, partes, ferramentas ou dispositivos
especializados por movimentos programados para o desempenho de uma
variedade de tarefas. Sendo assim, nem todos os sistemas automáticos são robôs.
Os sistemas automáticos de funções fixas, como manipuladores de soldagem ou
mesmo uma máquina de comando numérico de usinagem não são consideradas
robôs (PIRES; LOUREIRO; BOLMSJO, 2005).
Os robôs são classificados de diversas maneiras. Uma dessas
classificações está associada aos sistemas de coordenadas de referência do robô
que pode ser fixa, Figuras 10(a) e 10(b), ou móvel, Figuras 10(c) e 10(d). Outra
classificação é quanto a cadeia cinemática do robô que pode ser do tipo série, figura
10(a), ou paralela, figura 10(b), ou ainda mista, figura 10(c) (ROMANO, 2002).
Figura 10- Principais categorias de robôs: robôs industriais em (a) e (b), veículo autoguiado
em (c) e robô humanoide em (d).
(a)
(b)
(c)
(d)
Fonte: Adaptado de (a) MITSUBISHI ELETRIC (2019), (b) OMRON Automação Industrial (2019), (c) Pollux (2019) e (d) BBC (2019).
30
Os robôs mais empregados nas industriais possuem sistema de
coordenadas de referência fixo e cadeia cinemática tipo série. Entre estes se
destacam o de estrutura cinemática antropomórfica com seis juntas rotacionais,
Figura 11(a), e o de estrutura cinemática cartesiana com três juntas prismáticas,
Figura 11(b).
Como vantagem, a estrutura cinemática antropomórfica possui maior
espaço de trabalho do que a cartesiana se considerar o somatório dos
comprimentos dos três elos do robô antropomórfico igual ao somatório dos cursos
em X, Y e Z no robô cartesiano. Como desvantagem, a obtenção da cinemática de
posição e de velocidade do robô antropomórfico e a própria programação soa mais
complexas devido a existência de redundâncias e singularidades em posição dentro
do respectivo espaço de trabalho. Estes problemas se devem ao fato de que o
espaço operacional ou cartesiano, onde são definidas as tarefas a serem
executadas pelo robô, é completamente diferente do espaço de juntas do robô
antropomórfico. No caso do robô cartesiano os dois espaços, operacional e de
juntas do robô, são coincidentes facilitando desta forma a sua programação e
obtenção das cinemáticas (SICILIANO, 2009).
Figura 11 – Robôs industriais, em (a) antropomórfico de 6 DOF e em (b) cartesiano de 3 DOF.
(a)
(b)
Fonte: Adaptado de (a) FANUC e (b) EPSON (2019)
31
As principais tecnologias de atuadores utilizadas nos robôs industriais
são: a elétrica, a pneumática e a hidráulica. O alto custo do motor ou do cilindro
hidráulico e do respetivo servo válvula torna essa tecnologia usável apenas em
situações onde não é possível substituição por atuadores elétricos ou pneumáticos,
tais como: necessidade de alto torque para manipulação de cargas pesadas e em
manutenção em linhas de dutos submersas no mar. Os atuadores pneumáticos,
apesar de possuírem a vantagem de alta velocidade, linear ou rotacional, e o baixo
custo, similar aos atuadores elétricos, apresentam problemas de precisão de
posicionamento em função da compressibilidade do ar comprimido. Sendo assim,
sua aplicação clássica é na manipulação de peças em alta velocidade com paradas
comente nas posições de fim de curso. De forma feral, os atuadores elétricos e seus
respectivos componentes de acionamento apresentam a melhor solução do ponto
de vista da relação custo/benefício (ROMANO, 2002).
2.4.2. Manipuladores de soldagem
Conforme Barra, Dutra e Ribas (1998) o processo de automação permite
além da possibilidade de um controle mais seguro sobre os parâmetros, uma melhor
avaliação das origens de possíveis defeitos nos cordões de solda, ajudando a
eliminar uma possível influência do soldador e também conseguindo maior
repetibilidade no processo.
Lucas (2011), diz que devido à dificuldade de instalação em campo de
robôs e operações automatizadas, os manipuladores tendem a suprir os requisitos
de custo, robustez, facilidade de transporte e instalação. De acordo com Hubert
(2014), os manipuladores adaptados a soldagem disponíveis no mercado são
construídos para atenderem a demanda em linhas de produção, onde todo o arranjo
de produção é ajustado para instala-lo. Ainda conforme Hubert (2014), grande parte
dos manipuladores de soldagem elaborados por essas empresas são feitos por
encomenda para atenderem uma tarefa especifica, o que limita seus usos para
outros serviços e torna o manipulador muito caro. A imagem a seguir, ilustra os
manipuladores de soldagem das fabricantes internacionais Bug-O System
32
manipulador de soldagem tipo cartesiano e também da empresa Sumig que também
é utilizada em um plano cartesiano.
Figura 12 – Manipuladores, em (a) Sumig e (b) Bug-O System.
(a)
(b)
Fonte: (a) Sumig (2019) e (b) Bug-O System (2019).
Na busca de um aumento de produtividade, melhoria e a consciência na
qualidade final do produto e a padronização e precisão no processo, surgiram os
manipuladores cartesianos. Utilizados em muitos casos em operações críticas, de
manipulação de produtos químicos e que causem fadiga do homem por repetidos
movimentos do processo.
Segundo Carvalho (2009), os manipuladores são classificados de acordo
com o número de eixos, tipo de controle, tipo de acionamento e geometria. Os eixos
do corpo de um robô podem ser controlados em várias combinações de
configurações rotacionais e lineares, dependendo da aplicação. Estas combinações
são denominadas geometria do robô.
Os manipuladores cartesianos, possuem coordenadas que especificam
um ponto do espaço em função de suas coordenas X, Y e Z, podendo se
movimentar em linhas retas, em deslocamento verticais e horizontais. A escolha
desse tipo especifico tem como motivos: características do processo, em que a
orientação da soldagem deve ser paralela ao vetor gravidade, a facilidade de
movimentação espacial e rigidez mecânica suficiente para aplicação. O conceito de
rigidez mecânica está relacionado a estabilidade na movimentação em uma das três
33
direções. Para aplicação nos diversos setores industriais, essa rigidez é uma
característica fundamental visto que a qualidade da peça fabricada depende da
precisão com que o robô movimenta a tocha de solda dentro do envelope de
trabalho. Além disso, com o robô cartesiano é possível manter torques e momentos
de inercia constantes ao longo da operação.
34
3. DESENVOLVIMENTO
Para o desenvolvimento do projeto deste manipulador, foi realizado um
estudo teórico sobre algumas metodologias de desenvolvimento de produtos e
readequações tecnológicas. Essas pesquisas ajudaram no desenvolvimento do
manipulador. A readequação foi planejada no sentido de aumentar a confiabilidade
e disponibilidade do manipulador. Para isso, o novo projeto focou na facilidade de
desmontagem e montagem para fins de transporte e eventuais manutenções, no
aumento da resistência e rigidez mecânica e na redução do número de peças de
suporte, conforme mostrado na Figura 13
O projeto estrutural foi concebido visando a utilização de elementos de
baixo custo relativo e com características de fácil reposição em caso de quebra ou
desgaste. O sistema cartesiano proposto será tipo pórtico, de forma a possibilitar a
instalação sobre máquinas e dispositivos de acomodação de produtos.
Figura 13 – Estrutura proposta do robô cartesiano e orientação dos eixos.
Fonte: Elaboração Própria (2019)
35
Quando se trata de desenvolvimento de tecnologia, requisitos básicos
para o funcionamento do dispositivo ou sistema a ser implantado devem ser
considerados. A seguir, são definidos os componentes e os procedimentos usados
em cada um dos subsistemas do robô.
3.1. Substituição dos patins
A transmissão linear de movimento em máquinas industriais é associada
a um dispositivo de deslizamento entre parte fixa e móvel, que possibilite a
movimentação de forma adequada, de acordo com a aplicação. Geralmente este
dispositivo compõe de um trilho orientador em contato com suportes compostos de
materiais de baixo atrito, rolamentos ou roldanas. Para máquinas de média e alta
precisão, o equipamento mais utilizado é a guia linear. A Figura 14 ilustra um
exemplo de guia linear.
Figura 14 – Guias lineares.
Fonte: NSK (2019).
36
Por conciliar ótima relação de custo e benefício, apresentando facilidade
de reposição, adotou-se que o sistema de deslizamento do projeto seria composto
por guias lineares rolamentadas de média precisão e robustez. A Figura 15 ilustra
um detalhe do projeto mecânico de guias lineares aplicadas ao eixo X.
Figura 15 – Guias lineares do eixo X no projeto.
Fonte: Elaboração Própria (2019)
A substituição dos patins foi essencial, visto que o modelo antes usado
falhou com o uso, devido ao desgaste do mesmo, como pode ser observado na
Figura 16. Conforme informações dos fabricantes, a resistência dos novos patins
chega ao dobro do anterior em alguns critérios de carregamento. Na Tabela 1 são
apresentados os valores de carga dinâmica e estática e a resistência ao momento
fletor estático nas orientações roll, pitch e yaw. “MR9ML” refere-se ao novo modelo
utilizado e “MR7ML” ao modelo utilizado no antigo manipulador (MEDEIROS et al,
2017).
37
Figura 16 – Falha nos patins do eixo Z.
Fonte: Adaptado de (MEDEIROS et al, 2017).
Tabela 1 – Valores de resistência mecânica dos patins.
Fonte: Adaptado de (MEDEIROS et al, 2017).
3.2. Acoplamento entre manipulador e trilho
Os sistemas de movimentação linear e posicionamento foram projetados
e fabricados utilizando-se correias sincronizadas, polias dentadas e cremalheira de
alumínio e engrenagens cônicas. A estes sistemas de movimentação incorporou-se
redutores com o objetivo de diminuir a rotação e incrementar o torque dos motores.
O redutor do eixo X, ilustrado na Figura 17, foi construído com uma
relação de polias síncronas de passo 3 mm com relação 7:1. Na sequência, tem-se
que o conjunto cremalheira, correia fechada e polia de 14 dentes com passo 5 mm
e largura de 15 mm. Esta composição faz com que o eixo se movimente linearmente
10 mm a cada giro do motor. Com a rotação nominal do motor de 4 rpm, obtém-se
velocidade máxima de deslocamento do eixo de 667,7 mm/s.
38
Figura 17 – Sistema de movimentação do eixo X.
Fonte: Adaptado de (HUBERT, 2014).
A disposição dos redutores do eixo X pode ser melhor representada
através das Figura 18 e 19.
Figura 18 – Disposição dos redutores do eixo X, vista lateral direita.
Fonte: Elaboração própria (2019).
39
Figura 19 – Disposição dos redutores do eixo X, vista isométrica.
Fonte: Elaboração própria (2019).
Para os redutores Z e Y, conforme ilustrado na Figura 20, a redução é de
3:1, as polias que movimentam as correrias abertas são de passo 3mm e diâmetro
9,55 mm com 10 dentes. Esta relação faz com que a cada giro do motor também
haja um deslocamento linear de 10 mm, e a presença do freio eletromagnético no
eixo Z serve para evitar impacto entre a ferramenta e a peça quando for interrompida
a energia elétrica para o robô. A velocidade máxima de deslocamento linear será
igualmente de 666,7 mm/s. os servos motores para estes eixos têm 0,32 N.m de
torque nominal e, considerando os mesmos rendimentos anteriormente descritos,
resultara em uma força tangencial na polia que movimenta a correria fechada igual
a 19,5 kgf.
40
Figura 20 – Sistema de movimentação por correia aberta dos eixos Z e Y.
Fonte: Adaptado de (HUBERT, 2014).
A disposição dos redutores do eixo Z pode ser melhor representada
através das Figura 21 e 22.
Figura 21 – Disposição dos redutores do eixo Z, vista superior.
Fonte: Elaboração própria (2019).
41
Figura 22 – Disposição dos redutores do eixo Z, vista isométrica.
Fonte: Elaboração própria (2019).
A disposição dos redutores do eixo Y pode ser melhor representada
através das Figura 23 e 24.
Figura 23 – Disposição dos redutores do eixo Y, vista superior.
Fonte: Elaboração própria (2019).
42
Figura 24 – Disposição dos redutores do eixo Y, vista isométrica.
Fonte: Elaboração própria (2019).
3.3. Acoplamento entre eixos e polias
As transmissões dos movimentos lineares X, Y e Z dependem de um bom
funcionamento dos sistemas eixo/polia motriz, principalmente quando submetidos a
situações de quebra de inercia. Como solução, devido as grandes reduções, teve-
se o cuidado em projetar os eixos, sendo que o sistema de fixação do projeto antigo
sofria escorregamento entre eixo/polia motriz, com isso definiu-se que ambos, eixo
e polia terão chanfro, demonstrados na Figura 25(a) e (b). Em relação ao
dimensionamento dos eixos, os mesmos foram devidamente projetados para
suportar os carregamentos a que serão submetidos, com fatores de segurança
consideráveis (MEDEIROS et al, 2017).
Figura 25 – Transmissão do manipulador, em (a) eixo projetado e (b) polia motriz com chanfro.
(a)
(b)
Fonte: Elaboração própria (2019).
43
3.4. Isolamento elétrico no trilho
Outro componente de suma importância no manipulador é o isolamento.
Sendo assim, desenvolveu-se uma peça de poliacetal, representada na Figura 26,
que foi acoplada aos perfis de alumínio do trilho, efetuando assim o isolamento
elétrico entre o circuito de soldagem e o aterramento da rede alternada de
alimentação do manipulador. Isso possibilita a segurança da área de trabalho
eliminando possíveis choques e curto circuitos.
Figura 26 – Isolamento de poliacetal, em (a) projeto CAD e (b) aplicação da peça no manipulador.
(a)
(b)
Fonte: Elaboração própria (2019).
3.5. Esticadores de correia
Os esticadores de correia são responsáveis pelo tensionamento da
correria para reduzir folga. Com o esticador de correia as variações no
posicionamento da ferramenta (tocha), causadas pela variação das condições
naturais a que a correia é exposta, são absorvidas conforme a Figura 27. O
tensionador atua garantindo a transmissão de movimento, evitando pulo de dentes,
arrancamento dos dentes ou rompimento prematuro da correia.
Há dois esticadores no eixo X, o primeiro esticador é realizado pelo
deslocamento do próprio motor em oblongos que prendem seu flange. O segundo,
44
na correia que atua sobre a cremalheira, é esticado via um eixo rolamentado que
se desloca em uma ranhura e preso por um parafuso allen.
Figura 27 – Esticadores de correia do eixo X.
Fonte: Elaboração Própria (2019)
Outro sistema diferencial utilizado como esticador de correia foi um
parafuso. Nele foi feito um corte a fio onde a correia se encaixa, e junto a esse
parafuso foi colocado uma porca que dá tração para a correia a deixando bem
tensionada, conforme pode ser observado nas Figuras 28 e 29.
45
Figura 28 – Esticadores de correia dos eixos Y e Z.
Fonte: Elaboração Própria (2019)
Figura 29 – Esticador de correia acoplado no eixo.
Fonte: Elaboração Própria (2019)
46
Conforme pode ser observado nas Figuras 27, 28 e 29, os sistemas com
correia e polias dentadas praticamente não apresentam deslizamentos, assim
permitem o uso de polias bem próximas.
3.6. Redução do número de peças
O manipulador possui estrutura em perfil de alumínio extrudado onde
estão inseridas guias que permitem a movimentação do sistema. As seções
transversais escolhidas para o manipulador foram de 20 X 40 mm para todos os
eixos (X, Z e Y) como ilustra a Figura 29, a fim de torná-lo mais rígido e leve.
Figura 30 – Seção transversal dos perfis utilizados.
Fonte: http://www.systeal.com/en/profiles/923-aluminium-profile-6mm-slot-20x40.html
Além dos perfis de alumínio com estruturas menores, foram fabricadas
duas peças inteiras de alumínio, a da Figura 19, que interliga o eixo X ao Z, e a da
Figura 23 que interliga o eixo Z ao Y, a fim de tornar o manipulador mais barato, e
consequentemente gerar uma manutenção mais em conta, tornando a vida útil do
equipamento maior. Vale ressaltar que o carro que percorre o eixo X, foi elaborado
para desacoplar o manipulador do trilho a fim de facilitar o transporte.
47
48
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Para apresentação dos resultados dividiu-se em duas etapas,
desenvolvimento mecânico e parametrização dos servos acionamentos com testes
funcionais para posterior a isso, realizar a integração eletromecânica.
4.1. Desenvolvimento mecânico
O retrofitting mecânico partiu do princípio de eliminar folgas deixando o
sistema mais rígido com intuito de buscar uma melhor dinâmica no novo
acionamento eliminando possíveis desvios mecânicos que comprometessem a
execução de soldagem com qualidade. Essa etapa foi concluída com êxito. A
estrutura mecânica, Figura 31, apresentou desempenho adequado nos movimentos
executados pelos motores dos três eixos. A estética e formato das peças
contribuíram para harmonia e montagem do dispositivo.
Figura 31 – Novo manipulador cartesiano.
Fonte: Elaboração própria.
49
4.2. Parametrização
A correta parametrização do servo acionamento (servo motor e seu
respectivo servo driver) de cada eixo foi feita por meio de testes iniciais de controle
de torque, velocidade e posição. A referência usada nestes três tipos de
acionamento foi a entrada em degrau positiva, seguida de um degrau negativo.
Antes que o servo driver possa ser usado em sua aplicação de
acionamento do servo motor, exige-se que um conjunto mínimo de parâmetros seja
configurado para operação adequada. Os referidos parâmetros do servo conversor
são configurados usando o programa GDtool do fabricante Granite Devices,
conforme mostra a Figura 32.
Figura 32 – Parâmetros de corrente do motor.
Fonte: Elaboração própria.
50
As constantes de corrente de pico (Ip), Limite de falha de corrente (If) e
a corrente nominal (In) são especificadas de acordo com o tipo de motor que é
utilizado. No caso desse projeto, estamos utilizando um servo motor AC, de 4 polos
e 3 fases, o tempo de aceleração e o limite de velocidade é apresentado na figura
33.
Figura 33 – Parâmetros do planejamento da trajetória do motor.
Fonte: Elaboração própria.
O motor pode ser controlado em modo torque, velocidade ou ainda
posição. O ajuste de torque é usado para definir os ganhos do circuito de controle
de torque e o filtro passa-baixo de torque conforme mostra as Tabelas 2 e 3 abaixo.
Para os eixos X e Z, são utilizados os mesmos valores, por serem dois motores
iguais. Para o eixo Y, esses valores são alterados por ser um motor menor.
51
Tabela 2 – Parâmetros de Torque eixos X/Z.
Fonte: Elaboração própria.
Tabela 3 – Parâmetros de Torque eixos Y.
Fonte: Elaboração própria.
Para os ajustes das configurações do modo de posição se faz
necessário a utilização do controlador PID nos atuadores. Assim os testes foram
realizados em relação ao tipo de atuadores e não em relação a dinâmica dos eixos.
Principalmente pelo fato de os eixos terem um ângulo de atuação bem limitado,
dificultando o ensaio de velocidades elevadas. Salientando que os ganhos foram
obtidos de forma interativa e de acordo com a resposta anterior do sistema.
Em sistemas de controle, a ação P é sempre a primeira a ser sintonizada,
pois as demais ações de controle atuam no erro gerado por esta ação. A ação D
prevê o erro atuante, inicia uma ação corretiva e aumenta a estabilidade do sistema,
o que permite o uso de valores mais elevador de Kp e Ki, resultando em maior
precisão em regime permanente. E por último ajustamos a ação I, que produz um
sinal de saída proporcional a magnitude e a duração do erro, ou seja, ao erro
acumulado pelas outras ações, conforme podemos observar nas Tabelas 4, 5 e 6.
Tabela 4 – Parâmetros de Posição eixo X.
Fonte: Elaboração própria.
52
Tabela 5 – Parâmetros de Posição eixo Y.
Fonte: Elaboração própria.
Tabela 6 – Parâmetros de Posição eixo Z.
Fonte: Elaboração própria.
Por fim, parametrizamos o homing, esse processo ocorre com um
deslocamento de baixa velocidade dos motores no sentido da posição Zero. Quando
o batente do curso é alcançado, o erro de posição aumenta até o limite estipulado,
proporcionando a mudança do sentido de movimento até encontrar o sinal index do
encoder. Nessa condição, a posição de home (posição nula) do referido eixo é
definida.
Os gráficos dos ensaios de posição, torque e velocidade foram
adquiridos com o auxílio do programa GDtool, e são apresentados nos anexos I, II,
III, IV, e V respectivamente.
53
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A partir dos resultados obtidos através dos experimentos, foi possível ter
contato direto com projeto de engenharia e suas metodologias. O caráter
multidisciplinar deste, permitiu integração de tecnologias e conhecimentos
adquiridos em diversas disciplinas do curso. Também foi possível afirmar que o
projeto do manipulador cartesiano é de grande importância para o aprendizado dos
alunos, tornando-se possível uma melhoria nas aulas práticas.
Com o objetivo de especificar, comparar, e fabricar peças de um robô
cartesiano comercial o projeto proporcionou várias melhorias em relação ao antigo.
A principal delas se deu na parte mecânica onde proporcionou para o manipulador
maior rigidez, o deixando mais compacto e robusto, de fácil manutenção. Pesquisa
sobre as principais tecnologias que substituiriam as peças ajudaram muito nessa
etapa de projeto.
Foram realizados testes experimentais considerando a definição de um
caso de estudo envolvendo um movimento característico de deslocamento de ida e
retorno do manipulador usualmente encontrado nas áreas de aplicação pretendidas
para o protótipo. Foram consideradas uma situação de carregamento, com carga
de aproximadamente 3 kg para os ensaios dos eixos Z e Y, com trajetórias sendo
geradas considerando a interpolação e movimento direto.
Os testes experimentais demonstraram que em todas as situações
avaliadas, o robô manipulador proposto conseguiu seguir a trajetória fornecida de
forma adequada possuindo ótima relação em posicionamento. O servo motor
responsável pela movimentação do eixo X respondeu bem aos sinais enviados e se
deslocou para a direita, em coordenadas positivas do eixo e posteriormente
retornou. O segundo e o terceiro ensaio referente aos eixos Z e Y é semelhante ao
primeiro, porém, a sensibilidade à ação de forças é aumentada. Isso é realizado
tornando o manipulador menos rígido, ou seja, mais complacente. Dessa forma, a
uma menor intensidade de forças e velocidades maiores são aplicadas.
Adicionalmente, constatou-se em todos os movimentos realizados no
sentido de descida que os atuadores do eixo Z necessitam de um processo de
frenagem dissipativa para dissipar parcelas de energia e evitar o aumento da tensão
no barramento de alimentação atinja níveis de operação insegura.
54
O sucesso destas parametrizações bem realizadas se deve a correta
implantação das funcionalidades desenvolvidas referente a readequação mecânica,
de programação e de correção de trajetórias desenvolvidas.
55
6. REFERÊNCIAS
BATALHA, G.F. Processos de Fabricação: Junção, Soldagem e Brasagem. PMR
2202, Introdução a Manufatura Mecânica. Laboratório de Engenharia de Fabricação,
Outubro, 2003.
EPSON. EZ Modules RU-HMSz.
Disponível em: https://engeteles.com.br/industria-4-0/ Acesso em: 10/11/2019.
FORTES, C. Apostila: Soldagem MIG/MAG. São Paulo, 2005.
INOUE, R. S. Controle robusto descentralizado de movimentos coordenados de
robôs heterogêneos. PhD thesis, Tese (Doutorado - Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Elétrica e Área de Concentração em Sistemas Dinâmicos).
Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, 2011.
INOUE, R. S. Notas de aula da disciplina de Robótica Industrial. Departamento de
Engenharia Elétrica. Universidade Federal de São Carlos, UFSCar. São Carlos, 201
KIMINAMI, C.S; CASTRO, W.B. de; OLIVEIRA, M.F. de. Introdução aos processos
de fabricação de produtos metálicos. São Paulo: Blucher, 2013.
KUNTZ, M. R. K. Análise Comparativa entre a Soldagem com Arame Sólido e Metal
Cored no Processo Multipasses. Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio
Grande do Sul, Panambi, dezembro, 2016.
MACHADO, I.G. Soldagem e Técnicas Conexas: Processos. Editado pelo autor.
Porto Alegre, 1996.
MODENESI, P. J.; MARQUES, P. V.; SANTOS, D. B. Introdução à Metalurgia da
Soldagem. Belo Horizonte: UFMG/DEMET, 2012. 209 p.
MIG Welding: The Basics for Mild Steel. Disponível em:
https://www.millerwelds.com/resources/article-library/mig-welding-the-basics-for-mild-steel
Acesso em: 15 set. 2019
HUBERT, Ivan Luiz. DESENVOLVIMENTO MECÂNICO DE UM MANIPULADOR PARA
EXECUÇÃO DE PROCEDIMENTOS AUTOMÁTICOS DE SOLDAGEM A ARCO
ELÉTRICO. 2014. 86 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Pós-graduação em Mecatrônica,
Instituto Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SC, 2014.
PEREIRA, W. A. Processos de Soldagem – Parte 2. Apostila da disciplina Fundição e
Soldagem da Faculdade de Engenharia Mecânica da UNIRV. Rio Verde, 2000.
PFEIL, W; PFEIL, M. Estruturas de aço: dimensionamento prático. 8.ed. Rio de Janeiro:
LTC, 2009.
56
PIRES, J. N.; LOUREIRO, A.; BOLMSJÖ, G. Welding Robots: technology, system
issues and applications. 1 ed. [S.I.]: Springer, 2005.
PIRES, R. P. Instituto Federal de Santa Catarina. Planejamento e correção de trajetórias
em manipulador de soldagem, 2014, 114p, Dissertação.
PINHEIRO, A, C, F, B. Estruturas metálicas: Cálculos, detalhes, exercícios e projetos.
2ª ed. São Paulo: EdgarBlucher, 2005.
RIASCOS, Luís A.M, Fundamentos de Robótica: manipuladores e robôs móveis Ed.
Plêiade, São Paulo, 2010
RIBEIRO, Alexandre da S.; ALMEIDA Antônio Gabriel S.; SOUZA, Milton B.; LIMA,
Eduardo J. Metodologia para implementação de retrofitting de controladores de
equipamentos de automação de processos. In: 8º Congresso Ibero-americano de
Engenharia Mecânica, 2007, Cusco. Cusco: Federação Oberoamericana de Engenharia
Mecânica, 2007, p. 1-8.
ROBÔ ANTROPOMORFICO DE 6 DOF
Disponível em: https://www.fanucamerica.com/industrial-solutions/manufacturing-
applications/arc-welding-robots Acesso em : 27/09/2019.
ROBÔ HUMANOIDE BBC
Disponível em:
https://www.bbc.com/portuguese/reporterbbc/story/2007/01/070111_robosg.shtml Acesso
em : 10/11/2019.
ROBÔ INDUSTRIAL
Disponível em:
https://br.mitsubishielectric.com/pt/products-solutions/factory-automation/index.html
Acesso em : 10/11/2019
ROBÔS INDUSTRIAIS
Disponível em: https://industrial.omron.pt/pt/products/industrial-robots
Acesso em: 10/11/2019
ROMANO, V.F. Robótica Industrial: aplicações na indústria de manufatura
e de processos. São Paulo: Edgard Blucher, 2002
SUMIG. Máquinas-de-solda. Disponível em: https://www.sumig.com
Acesso em: 04 de novembro de 2019.
UNECE - world WIDE GROWTH IN THE PERIOD 2004-2007, technical report, united
nations economic commission for Europe - world robotics, 2004.
VEÍCULO AUTOGUIADO
57
Disponível em: https://www.pollux.com.br/blog/tag/veiculo-autoguiado/
Acesso em : 25/10/2019
WAINER, Emílio; BRANDI, Sérgio Duarte; MELLO, Fábio Décourt Homem de.
SOLDAGEM: Processos e Metalurgia. 2. ed. São Paulo, SP: Edgard Blucher, 1992. 494
p.
ZEEMANN, A. A Soldagem GTAW (ou TIG). Revista ABS (Associação Brasileira
de Soldagem), v. Ano I – n0 6, p. 7-13. 2005.
58
7. ANEXO I – RESPOSA DO ATUADOR DO EIXO X EM RELAÇÃO A POSIÇÃO COM CONTROLE PID.
59
7. ANEXO II – RESPOSA DO ATUADOR DO EIXO X EM RELAÇÃO A VELOCIDADE COM CONTROLE PID.
60
7. ANEXO III – RESPOSA DO ATUADOR DO EIXO X EM RELAÇÃO AO TORQUE COM CONTROLE PID.
61
7. ANEXO IV – RESPOSA DO ATUADOR DO EIXO Z EM RELAÇÃO A POSIÇÃO COM CONTROLE PID.
62
7. ANEXO V – RESPOSA DO ATUADOR DO EIXO Y EM RELAÇÃO A POSIÇÃO COM CONTROLE PID.
