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1
Eduardo Bidese Puhl
DESENVOLVIMENTO DE SENSOR DE
TRIANGULAÇÃO LASER PARA CONTROLE
ADAPTATIVO DE PROCESSOS DE SOLDAGEM DE
UNIÃO DE DUTOS
Projeto de tese submetido(a) ao Programa
de Pós Graduação em Engenharia
Mecânica da Universidade Federal de
Santa Catarina
Orientador: Prof. Dr. Jair Carlos Dutra
Coorientador: Prof. Dr. Tiago Loureiro
Figaro da Costa Pinto.
Florianópolis
2014
2
RESUMO
A demanda por aumento de produtividade e qualidade na área da soldagem motiva o
desenvolvimento de processos mais robustos e automatizados. Entretanto, desenvolver uma
automação completa para substituir o soldador não é uma tarefa simples, uma vez que este
utiliza muitos dos seus sentidos para realizar o ajuste de parâmetros do processo para alcançar o
resultado esperado.
Atualmente, na maioria das aplicações automatizadas, os robôs de soldagem são
empregados apenas como repetidores de movimento. Os desalinhamentos da junta são
geralmente compensados parcialmente por “seguimento de junta”. Nesta técnica, parâmetros
elétricos do processo de soldagem podem ser monitorados para detectar e corrigir, por exemplo,
os desalinhamentos e a posição da junta.
No caso de uma soldagem manual, o soldador não se restringe a movimentar a tocha
sobre a linha central da junta, mas também atua em diferentes parâmetros do processo como a
velocidade de deslocamento da tocha e movimentos oscilatórios. Aplicar estes controles mais
complexos automaticamente é uma tarefa desafiadora, pois a tomada de decisão do soldador em
alterar determinado parâmetro depende do tipo de material utilizado, formato da junta, processo
de soldagem, tipo de chanfro, posição de soldagem, entre outros.
A capacidade de um equipamento ajustar automaticamente seus parâmetros diante de
mudanças mensuráveis no processo define o controle adaptativo de soldagem. A caracterização
da geometria da junta durante a soldagem é o ponto fundamental para realização do controle
adaptativo e a medição ótica por triangulação laser é a técnica que melhor caracteriza a
geometria da junta. Por ser um processo ótico, o sensor deve ser preparado para resistir às
interferências geradas pela soldagem, como a alta intensidade luminosa, respingos e fumos. Os
sensores comerciais são preparados para trabalhar nestas condições, mas não são flexíveis para
se adaptar a diferentes materiais, acabamento da superfície, tipo de chanfro, estabilidade do
processo, corrente de soldagem e novas aplicações como o controle adaptativo.
O presente trabalho propõe o desenvolvimento de um sensor de triangulação laser
adaptado para trabalhar com procedimentos de soldagem adaptativa, com completo domínio das
tecnologias e ferramentas de software e hardware utilizadas, possibilitando melhorias nas
características de resistência à soldagem e o desenvolvimento de novas aplicações, como a
soldagem de juntas não convencionais. Para a validação dos resultados, o sensor desenvolvido
será integrado a um robô dedicado à soldagem de união de dutos.
Palavras-chave: Soldagem adaptativa, metrologia óptica, automação da soldagem,
triangulação laser.
3
SUMÁRIO
SUMÁRIO ............................................................................................................................................................ 3
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................................. 4 1.1 SOLDAGEM DE DUTOS AUTOMATIZADA .......................................................................................................... 7
1.2 NECESSIDADE DE CORREÇÃO ............................................................................................................................. 8
2 TECNOLOGIAS DE SENSORES EMPREGADOS EM SOLDAGEM ................................................... 11
2.1 SENSORES DE VARIÁVEIS ELÉTRICAS DO ARCO PARA O PROCESSO MIG/MAG .................................. 11
2.2 SENSORES DE TRIANGULAÇÃO LASER ........................................................................................................... 15
2.2.1 Especificações técnicas do STL tipo folha de luz ....................................................................................... 22
2.2.2 Dificuldades impostas aos sensores de triangulação laser que trabalham com soldagem ...................... 23
2.3 SENSORES COMERCIAIS ...................................................................................................................................... 28
2.3.1 Sensor META Vision ................................................................................................................................... 28
2.3.2 Sensor Servo Robo ....................................................................................................................................... 30
2.4 CONTROLE ADAPTATIVO .................................................................................................................................... 31
3 OBJETIVOS.................................................................................................................................................... 37
4 DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE ADAPTATIVO ............................................................... 38
4.1 MANIPULADOR ROBÓTICO ................................................................................................................................. 39
4.2 REQUISITOS DO SENSOR DE TRIANGULAÇÃO LASER ................................................................................. 40
5 CONCLUSÃO ................................................................................................................................................. 43
6 PREVISÃO FINANCEIRA ........................................................................................................................... 45
7 CRONOGRAMA ............................................................................................................................................ 46
REFERÊNCIAS ................................................................................................................................................. 48
4
1 INTRODUÇÃO
O setor de petróleo e gás tem motivado pesquisas e desenvolvimentos em diferentes
áreas da engenharia. No Brasil em especial, devido ao recente aumento da capacidade produtiva
e a descobertas de novas possibilidades de produção de petróleo. Ao longo de sua história, o
LABSOLDA teve a área de petróleo e gás como motivador de suas pesquisas, em especial, o
laboratório dispendeu esforços no desenvolvimento de equipamentos para automatização de
procedimentos de soldagem de dutos. Estes equipamentos são utilizados na construção de
tubulações empregadas no transporte de produtos, ou dutovias.
Em sua grande maioria, as dutovias são compostas por tubos metálicos de grande
diâmetro (de 4 até 50 polegadas) unidos por soldagem para compor sua extensão. Esta rede de
dutos pode ser utilizada como meio de transporte para petróleo ou derivados. Nos Estados
Unidos da América, no período de 2006-2012, o consumo anual médio de tubos de aço Oil
Country Tubular Goods (OCTG) foi de 9 milhões de toneladas, sendo que a demanda do ano de
2012 foi 11% superior à verificada em 2008 [2]. Assim, fica clara a importância e a
responsabilidade do procedimento de soldagem, que responde por boa parte da integridade das
dutovias. A utilização de dutovias para transporte de gases, petróleo e outros derivados é
bastante vantajosa. Adicionalmente, a segurança nas dutovias é superior à de outros meios de
transporte, sendo indicada para o transporte de produtos perigosos.
A montagem da linha é realizada pela união dos dutos por procedimento de soldagem.
No Brasil, grande maioria destes procedimentos de união é feita por soldagem manual com
eletrodo revestido. O trabalho manual de união de dutos é uma operação delicada, visto que se
trata da soldagem de componentes de alta responsabilidade, como dutos para transporte de
produtos inflamáveis. Neste caso, as normas restringem as condições dos cordões e sujeitam as
soldas a procedimentos de ultrassom e raio-X [4]. Neste sentido são desenvolvidas tecnologias
para aumento da qualidade dos cordões soldados, como processos mais robustos e tecnologias
de automação.
De maneira geral, a soldagem tem ficado para trás quanto aos desenvolvimentos de
automação quando comparada com outras áreas da fabricação. Este atraso se deve ao fato da
soldagem ser mais complexa que muitos outros processos de fabricação [1]. O calor empregado
no processo exerce é um complicador para a automação da soldagem. O aquecimento dos
materiais provoca distorções que alteram a geometria e posição da junta durante o processo. No
caso de união de dutos outros fatores também geram dificuldades. Por se tratar da união de
secções de dutos de grandes diâmetros e comprimentos o perfeito alinhamento das peças pode
ser comprometido. As condições de montagem da linha também influenciam na preparação das
5
juntas que podem apresentar variações dimensionais. Estes fatores dificultam a tarefa de
automatizar um processo de soldagem.
A presença de um soldador manipulando a tocha, ou vareta de soldagem, faz com que
o formato da junta possa ser percebido e atitudes sejam tomadas para garantir a qualidade da
solda. Um bom soldador utiliza seus sentidos, principalmente visão, audição e tato para perceber
informações sobre o procedimento. Baseado em sua experiência como soldador, estas
informações são interpretadas e transformadas em dados sobre o procedimento de soldagem
naquele momento. Caso seja necessário o soldador atua nos parâmetros de soldagem e
movimentação da tocha para executar o objetivo do processo. [5]
Como mencionado anteriormente, para realizar uma soldagem com sucesso o soldador
precisa ter habilidades e experiência. De maneira geral, o mercado tem sofrido com a baixa
disponibilidade de mão de obra qualificada para soldagem. Em casos de procedimentos com
requisitos de qualidade muito severos esta situação se agrava consideravelmente. A automação
deste tipo de procedimento contribui não só para diminuir o tempo total de operação, tornando o
processo de união dos dutos mais rápido, como para aumento da qualidade da solda. A
utilização de um equipamento com maior autonomia tem como consequência o emprego de
operadores com menos habilidades, aliviando o gargalo de mão de obra especializada na área.
Um sistema automático para soldagem deve exercer o papel de um soldador
experiente quando manipula a tocha de soldagem. Este equipamento deve coletar informações
do processo e/ou da geometria da junta com seus sensores, avaliar estas informações, realizar a
movimentação da tocha e controlar parâmetros do processo de forma adequada. Entre as
grandezas que podem ser medidas estão, a posição da junta, tensão da soldagem, corrente de
soldagem, vibração da poça metálica, emissão acústica do arco de soldagem, frequência de
destacamento de gota, temperatura da poça metálica e intensidade luminosa do arco. Todas estas
grandezas, quando interpretadas de forma adequada, podem revelar a necessidade de correção
do sistema.
Os sistemas de automação da soldagem disponíveis no mercado que oferecem, em sua
maioria, somente o seguimento de junta como técnica de correção. O termo seguimento de junta
se aplica as correções de desvio da linha central do cordão, ou seja, quando a trajetória
programada não está exatamente sobre o chanfro. Estes sistemas corrigem os erros de
posicionamento, distorções da peça ou desalinhamento na montagem.
Os mais novos desenvolvimentos em automação de processos de fabricação, em
especial na soldagem, estão direcionados a processos que possam, não somente corrigir desvios
de posicionamento, como os citados anteriormente, mas também adaptar as variáveis do próprio
processo de forma inteligente, estes processos são chamados de processos adaptativos. Por
exemplo, uma variação no volume do chanfro exige que o sistema realize o ajuste dos
parâmetros para que o cordão não seja desqualificado. Este ajuste deve levar em conta o tipo de
6
material utilizado, planejamento do preenchimento do chanfro, parâmetros de movimentação da
tocha e de soldagem. As pesquisas por processos de fabricação mais inteligentes tem reflexo
direto na tecnologia de sensoriamento empregada, capacidade dos processadores envolvidos e
principalmente na estratégia de controle aplicada.
Os sensores de triangulação laser podem medir os parâmetros necessários para
caracterizar a junta de soldagem. Adicionalmente, devem ser flexíveis para que sejam
desenvolvidas rotinas de controle que realizem o controle adaptativo. Em virtude de serem
montados junto à tocha de soldagem e operar durante o processo de soldagem os equipamentos
devem ser preparados para resistir ao processo. Equipamentos comerciais de triangulação laser
apresentam limitações nestes dois aspectos, flexibilidade e robustez. O desenvolvimento de
novas aplicações é limitado pelas funcionalidades disponibilizadas pelo fabricante, sendo
possível medir, por exemplo, somente os chanfros previamente programados. Em determinadas
condições de soldagem o equipamento pode ser incapaz de realizar medições como, por
exemplo, quando o acabamento superficial da peça é espelhado impossibilitando a medição.
Neste contexto, o trabalho se propõe a desenvolver um sensor de triangulação laser
aberto a novos desenvolvimentos e com a flexibilidade necessária para realizar o controle
adaptativo. O domínio da arquitetura do sensor permite o estudo de diferentes técnicas para
melhoria das características de resistência do sensor em relação à soldagem. O equipamento será
capaz de ser integrado com diferentes robôs de soldagem através de um protocolo de
comunicação. Neste trabalho o sensor fará parte de um sistema de soldagem dedicado à tarefa
de união de dutos.
7
1.1 SOLDAGEM DE DUTOS AUTOMATIZADA
A tarefa de automação de um procedimento de soldagem de união de dutos enfrenta
diversos desafios tecnológicos. Na construção de dutovias a soldagem das seções de dutos é
realizada em campo, o que exige robustez dos equipamentos utilizados. A restrição de espaço
físico exige que o equipamento não ocupe muito espaço ao redor do duto. A solução adotada
para este tipo de procedimento é o uso de robôs manipuladores dedicados. Como exemplos de
manipuladores dedicados voltados para soldagem de união de duto estão os equipamentos da
Dynatorque, Polysoude, Magnatech e Tartilope V4 que podem ser visualizados na Erro! Fonte
de referência não encontrada.1 (a), (b), (c) e (d) respectivamente [6, 7, 8, 9]. Na maioria dos
casos estes equipamentos utilizam o processo MIG/MAG (GMAW).
Figura 1. Deslocadores de tocha para soldagem de união de dutos. (a)
DYNATORQUE (b) POLYSOUDE (c) MAGNATECH (d) TARTILOPE V4 [6]
Os manipuladores possuem normalmente de 3 a 5 eixos de movimentação sendo que
um destes é o trilho que envolve o duto. Para o perfeito posicionamento da tocha durante a
soldagem, o manipulador deve ser capaz de realizar o movimento de translação ao longo da
junta de soldagem, além do posicionamento axial e vertical, ângulo de soldagem e ângulo
lateral conforme demonstrado na Figura 2 [10].
8
Figura 1 Graus de liberdade para soldagem orbital de duto [10]
As juntas de soldagem, mesmo que preparadas com cuidado apresentam na maioria
dos casos variações dimensionais. A dificuldade de montagem e alinhamento dos dutos pode
provocar erro de posicionamento em uma das seções dos dutos e resultar em desalinhamento.
Estas variações geométricas da junta podem ocasionar falhas no cordão de solda. Em uma
soldagem realizada por um manipulador robótico, o equipamento está programado para executar
um procedimento com determinados parâmetros de soldagem e movimentação. Quando ocorre
uma variação da junta, estes parâmetros devem ser ajustados.
1.2 NECESSIDADE DE CORREÇÃO
Como mencionado anteriormente os procedimentos de união de dutos por soldagem
automatizada utilizam manipuladores dedicados à aplicação. Eles são fixados ao duto por trilhos
de forma que consigam posicionar a tocha sobre toda a circunferência da junta. Por se tratar de
uma junta de união de dutos, em um mesmo cordão de solda o processo ocorre em diferentes
posições de soldagem. A Figura 3 apresenta as posições de soldagem plana, sobre cabeça,
vertical descendente e vertical ascendente. Cada posição tem um conjunto de parâmetros ideal
para a qualidade e produtividade do processo. Um equipamento automático deve realizar o
ajuste destes parâmetros para o melhor desempenho. [6] [10] [11]
9
Figura 3 Posições de soldagem em um procedimento orbital de união de dutos [10]
O trilho serve de guia para que o manipulador se desloque ao redor do duto, entretanto
se não for fixado paralelo à junta, em determinada secção do cordão, a tocha pode sair da
posição correta para a soldagem. Quando a junta é mal preparada, o formato do chanfro pode ser
comprometido e o ângulo do chanfro, nariz do chanfro, gap, entre outros, podem apresentar
variações ao longo da junta.
A Figura 4 apresenta uma junta reunindo alguns dos possíveis defeitos ligados à
preparação do chanfro. O ângulo (α) é menor que (α’), o que implica na área (A) ser menor que
a área (A’), desta forma, a quantidade de material depositado no lado de (A’) deve ser maior.
Outro exemplo é a diferença entre (a) e (a’), que pode comprometer a qualidade da solda de
raiz. Erros de montagem e ovalização ou amassamento do duto provocam o desalinhamento (x)
entre as duas secções. Os parâmetros do passe de raiz e acabamento devem ser ajustados para
compensar estes defeitos da junta. A ovalização do duto também pode provocar alteração da
distância entre a ponta da tocha e o duto. O deslocamento do manipulador pode implicar na
variação a distância entre a tocha de soldagem e a superfície do duto. Todas estas variações
podem ser causadoras de uma falha e devem ser compensadas.
Posição plana
Verticalascendente
Verticaldescendente
Sobre cabeça
10
Figura 4 Erros de preparação e montagem de uma junta em "V"
O calor gerado pela soldagem provoca tensões e distorções nas peças soldadas. Estas
distorções podem acontecer de seis formas diferentes: contração longitudinal, contração
transversal, distorção angular, abaulamento, flambagem e torção [1]. No decorrer da soldagem,
as peças vão aquecendo e trocando calor, assim, sua geometria e posição podem ser alteradas.
Em um sistema automatizado, os sensores são responsáveis por detectar estas variações. Os
erros de montagem tem característica estática e permanecem constantes durante a soldagem.
Entretanto, como as distorções provenientes do calor apresentam característica dinâmica, o
sensor deve medir a junta durante o processo de soldagem.
A Figura 5 apresenta um caso de uma junta de chapas finas de alumínio com
aproximadamente 300 mm de comprimento. Antes de realizar a soldagem o autor mediu o gap
da junta ao longo do seu curso, atingindo o valor máximo de 2,3 mm. A soldagem foi realizada
por um equipamento automático equipado com um sensor capaz de medir a largura do gap
durante o procedimento. Durante a soldagem o gap atingiu o valor máximo de 3,3 mm,
significativamente maior que na medição anterior. De fato, esta variação é dependente do
material de base, processo utilizado, formato da peça e corrente de soldagem. Em ensaios
realizados no LABSOLDA foi constatado que para a aplicação de união de dutos,
principalmente na soldagem de raiz, existe variação significativa do gap justificando o emprego
de um sensor para medição online da junta.
11
Figura 2. Variação do gap antes e durante a soldagem [1]
A evolução do seguimento de junta deu origem a sistemas mais inteligentes
denominados de “soldagem adaptativa”. A soldagem adaptativa se propõe a ajustar parâmetros
do processo para compensar variações como o formato da junta e posição de soldagem. Para
realizar o seguimento de junta e a soldagem adaptativa podem ser utilizados sensores
mecânicos, elétricos, sonoros, magnéticos e sensores óticos. Entretanto, duas tecnologias se
destacam para esta aplicação, o sensoriamento por variáveis do arco e os sensores de imagem
por triangulação ativa.
2 TECNOLOGIAS DE SENSORES EMPREGADOS EM SOLDAGEM
Trabalhos acadêmicos mostram que é possível utilizar medições do processo para
realimentar um sistema automatizado [12] [13] [1] [10] [14] [15]. Entre as tecnologias de
sensores aplicadas estão os probes de contato, sensores acústicos, sensores de luminosidade
sensores de variáveis elétricas, sensores de imagem entre outros. Atualmente as tecnologias
mais aplicadas são estes dois últimos.
2.1 SENSORES DE VARIÁVEIS ELÉTRICAS DO ARCO PARA O PROCESSO MIG/MAG
A técnica de sensoriamento por variáveis elétricas do arco consiste na leitura e analise
da tensão e corrente elétrica durante o procedimento de soldagem. Esta técnica é aplicada a mais
de 20 anos com sucesso na indústria. No processo MIG/MAG, para uma fonte de tensão
constante e velocidade de arame constante, o valor da corrente media tem relação com a
distância entre o bico de contato e a peça (DBCP), Figura 6. O comprimento do arco é
Durante a soldagem
La
rgu
ra d
o
(m
m)
gap
Distância ao longo da junta de soldagem (mm)
Antes dasoldagem
12
fortemente influenciado pela tensão utilizada no processo que, como dito anteriormente, é
constante. A extensão do eletrodo apresenta uma característica resistiva que quando a tocha se
aproxima da peça seu valor de resistência diminui. A variação na impedância total do sistema
implica no aumento da corrente elétrica. Esta característica do processo caracteriza no um
potencial de auto regulagem do processo que é utilizado para medir a DBCP com a leitura da
corrente.
Figura 6 Elementos do processo MIG/MAG [16]
Partindo deste princípio é possível controlar, por exemplo, a altura da tocha.
Observando o valor médio de corrente, o sistema pode fechar uma malha de controle para
manter a DBCP no valor de referência. Analisando as condições da solda e o sinal de corrente,
esta relação entre DBCP e corrente de soldagem pode ser aplicada para realizar o seguimento de
junta.
Considerando por exemplo um procedimento de enchimento de um chanfro em “v”,
uma técnica bastante aplicada é o movimento de oscilação transversal da tocha. A Figura 7
apresenta a secção transversal de uma junta em “v” onde o movimento oscilatório se dá ente (a),
(b) e (c). Ao realizar a soldagem variando a tocha nas posições apresentadas na Figura 7 a
DBCP se altera. Interpretando o sinal de corrente é possível realizar a correção na posição da
tocha [10] [1]. A metodologia mais aplicada para interpretação do sinal consiste na leitura da
corrente nas laterais do chanfro, ilustradas na Figura7 (a) e na Figura 7 (c), onde são medidas as
correntes Ia e Ic. Estas correntes são comparadas a corrente de referência Iref a fim de realizar
o controle de altura da tocha.
13
Figura 7. Variação da distância bico de contato peça (DBCP) com o movimento de
oscilação da tocha de soldagem
(1)
Caso a Equação 1 não seja satisfeita o sistema de controle atua corrigindo a altura da
tocha. Estes dois valores de corrente são também utilizados para corrigir desvio da posição
central da junta e realizar o seguimento de junta. A Metodologia utilizada para verificar o
alinhamento da tocha com a junta é a comparação dos valores de Ia e Ic. Como pode ser
observado na Erro! Fonte de referência não encontrada.7 quando a junta esta alinhada o
movimento de oscilação entre as posições (a) e (c) implica em distâncias DBCP e valores de
corrente iguais para as duas posições. Caso a Equação 2 não seja satisfeita o sistema de controle
atua para corrigir a posição central da oscilação.
(2)
Os valores de corrente comentados anteriormente correspondem a valores médios
instantâneos. No processo GMAW a forma de onda da corrente de soldagem é influenciada pela
forma de transferência aplicada no processo. Na maioria das aplicações de soldagem de união
de dutos é observada a transferência por curto circuito. Observando a forma de onda da corrente
sem nenhum tratamento, como na Figura 8, não é fácil determinar a necessidade de correção, de
modo que o sinal precisa ser filtrado. Em vermelho aparece a corrente média de soldagem e em
azul os instantes de inversão de sentido do movimento oscilatório referentes aos pontos (a) e (c)
da Figura 7.
14
Figura 8 Oscilograma da corrente para a soldagem com transferência por curto-circuito.
[10]
O sinal de corrente é convertido por um conversor analógico digital para ser tratado
por um filtro digital. Em seguida o controlador compara as leituras de corrente referentes às
posições (a) e (c) da Figura 7 e atua na posição de referência como mostra a Figura 9. O
controlador recebe um sinal de sincronismo do robô de soldagem que informa o instante em que
a aquisição da corrente média corresponde às posições desejadas.
Figura 9. Processamento do sinal se corrente.
15
Esta tecnologia permite realizar o seguimento de junta utilizando um sensor de
corrente. Um sensor deste tipo é barato quando comparado a outras tecnologias e é imune ao
ambiente agressivo da soldagem. O sistema como um todo não é complexo, entretanto vários
fatores perturbadores podem comprometer o seu funcionamento. A estabilidade do processo
pode comprometer o seguimento da junta, uma vez que tem relação direta com o seguimento da
junta. Deste modo uma perturbação no gás de proteção pode resultar em falha no seguimento da
junta.
Esta técnica é baseada na variação da corrente de soldagem causada por uma variação
de DBCP, assim, para que seja possível medir a junta a DBCP deve variar significativamente.
Uma limitação desta técnica de seguimento é o tipo de junta utilizado, sendo aplicada somente
em juntas em “V”. Em ensaios realizados no LABSOLDA foi verificado que mesmo para o tipo
de chanfro apropriado a técnica era aplicada com êxito somente nos primeiros passes do
enchimento, onde a lateral da junta provoca a variação necessária da DBCP. A dinâmica do
processo também é um limitante, uma vez que a variação da DBCP demora alguns instantes
para resultar na variação da corrente média. Em frequências de oscilação elevadas o processo
tende a estabilizar em um valor de corrente e não apresentar os picos utilizados para o controle.
2.2 SENSORES DE TRIANGULAÇÃO LASER
O sensor de triangulação laser (STL) é o tipo de sensor óptico mais aplicado em
medições tridimensionais de juntas em procedimentos de soldagem [16] [1]. Entre os
dispositivos opto eletrônicos, os STL são mais robustos e capazes de medir a geometria e a
posição das juntas de soldagem durante o processo. Ao contrário de outros métodos, como a
leitura de variáveis do arco, os STL permitem a medição completa do perfil da junta, podendo
ser extraídos valores de gap, ângulo do chanfro, área da seção transversal do chanfro entre
outros [17] [19].
Os principais componentes deste sensor são a câmera para captura das imagens, uma
fonte de luz estruturada e uma unidade de processamento de imagem. A fonte de luz estruturada
projeta uma “folha de luz” de encontro à peça que será medida. A montagem do sensor é feita
de modo que a luz projetada atravesse o campo de visão da câmera. A geometria da peça é
medida com base na posição da projeção da fonte de luz na imagem capturada. Como
apresentado na Figura 10, quando uma superfície atravessa a folha de luz dentro do campo de
visão da câmera, a imagem capturada carrega a informação da geometria e posição desta
superfície. Compreendendo a distância entre câmera e emissor de luz, o ângulo entre o eixo
ótico da câmera e plano da folha de luz e características óticas da câmera é possível definir um
16
modelo matemático para transformar a informação contida na imagem capturada em dimensões
da peça medida [20].
Figura 10 Princípio de funcionamento do sensor de triangulação laser
O modelo pinhole considera que a projeção de uma imagem em um anteparo através
de uma lente, pode ser descrita projetando-se pontos 3D em um plano, através de um ponto
central denominado de centro de projeção ou pupila Figura 11. Desta forma, para qualquer
ponto M no espaço 3D, sua representação m na imagem encontra-se onde a reta que une M ao
centro de projeção C intercepta o plano da imagem π [18] [19] [20] [17].
Figura 11 Modelo de câmera pinhole [23]
Folha de luz Imagem Capturada
CâmeraEmissor Laser
Folha de luz Imagem Capturada
CâmeraEmissor Laser
Sensor
17
A projeção m = (x.w,y.w,w)T de um ponto tridimensional qualquer M = (X,Y,Z,1)
T no
plano π pode ser descrita pela Equação 3 [21] [18] [19] [22].
(3)
Onde P é a matriz de projeção que relaciona a posição de um ponto M no sistema de
coordenadas da medição, com a posição do ponto m no sistema de coordenadas da imagem. A
matriz P pode ser dividida em parâmetros intrínsecos e extrínsecos. Os parâmetros intrínsecos A
se referem a características da câmera que capturou a imagem, os parâmetros extrínsecos estão
relacionados à posição e orientação desta câmera no espaço. R representa a matriz de rotação e
T o vetor de translação do sistema de coordenadas da medição para o sistema de coordenadas da
imagem.
[ ] (4)
A Matriz A pode ser descrita de acordo com a Equação =[
]
.
[
] (5)
Onde:
e : representam os fatores de escala dos eixos u e v.
: representa o erro de alinhamento angular entre u e v, (normalmente desprezado).
e Coordenadas do ponto P0.
O modelo pinhole relaciona a posição de um ponto no espaço 3D com a posição da
imagem deste ponto no plano da imagem 2D. Desta forma é necessária alguma informação
adicional para encontrar as coordenadas o ponto M a partir do ponto m e da matriz de projeção
P. No caso dos sensores de triangulação laser esta informação vem da característica de luz
18
estruturada do laser. É projetado então um plano de luz através do campo de visão da câmera.
Infinitos pontos tridimensionais M podem ser definidos sobre uma reta que liga o ponto m na
imagem a pupila da lente, mas somente um pertencerá simultaneamente ao plano matemático
definido pela "folha de luz". A folha de luz projetada pelo emissor laser pode ser descrita pela
Equação 6. Assim é possível encontrar as coordenadas (X,Y, Z) do ponto M a partir da posição
m (u,v) na imagem. A Figura 12 ilustra este princípio [23] [24].
6
Figura 12 Modelo de câmera pinhole e folha de luz aplicada em sensor de triangulação
laser. Adaptado de [23].
A configuração de STL mais aplicada em soldagem utiliza uma lente cilíndrica para
projetar uma folha de luz contra a peça a ser medida. Neste caso, a imagem capturada pelo
sensor corresponde a uma linha que carrega as informações de geometria e posição de
determinada secção da junta. O modelo apresentado anteriormente se aplica para cada ponto M
da linha da imagem gerada no sensor da câmera.
A Figura 13 apresenta em (a) uma representação uma imagem capturada por um STL
onde a peça medida é uma junta em V. A imagem é composta por uma matriz de pixels
organizados em linhas e colunas. As colunas, representadas pela letra “i”, estão dispostas ao
longo da largura da imagem, e ao longo da altura da imagem estão dispostas as linhas “j”. A
imagem projetada pela folha de luz é representada em vermelho. Devido ao ângulo entre o eixo
ótico da câmera e o plano da folha de luz, a imagem retrata a linha luminosa distorcida pelo
formato da junta.
x
yz
Plano da Imagem Folha de luz
M(X,Y,Z)
m(u,v)
XY Z
19
Figura 13 Representação de uma imagem capturada por um STL e distribuição da
intensidade luminosa ao longo j-ésima linha de pixels do CCD, adaptado de [25].
Para realizar os cálculos da triangulação é necessário definir para cada linha “j” da
imagem onde é a posição da linha luminosa. Em (b) está representada a intensidade luminosa ao
longo da j-ésima linha. É possível observar que ao longo da linha a intensidade luminosa sobre
cada pixel da imagem varia, e o ponto de maior intensidade é o centro da linha luminosa. A
posição do pico de intensidade pode ser encontrada através da formula do centroide [25].
∑
∑
Onde:
: posição do centro do pico de intensidade luminosa.
: intensidade luminosa do i-ésimo pixel.
A posição do feixe luminoso para cada linha da imagem será dada por ( . O
cálculo pode ser repetido para cada linha de pixels da imagem. Com base no modelo
20
matemático do sensor e nas informações de calibração estes pontos da imagem são
transformados em coordenadas (X, Y, Z) de pontos na superfície da junta.
Sensores de triangulação laser realizam a medição de diversos pontos da superfície da
peça medida ao longo da linha laser. Para a soldagem este conjunto de pontos não é a
informação necessária para o controle do processo. Diferente de um scanner tridimensional o
sensor de triangulação aplicado em soldagem deve informar ao sistema, por exemplo, a posição
central da junta, o gap, desalinhamentos entre as chapas, volume total da junta, entre outros.
Para isso o sensor deve reconhecer os tipos de chanfros utilizados. A Figura 14 apresenta os
diferentes exemplos de juntas comumente encontradas em procedimentos de soldagem de
chapas finas, chapas grossas e procedimentos de inspeção. Cada perfil tem um conjunto de
pontos de interesse específicos, onde o ponto central é utilizado para o seguimento da junta e
está marcado com um “X” e os demais pontos de interesse estão marcados com “+”. Os perfis
apresentados na Figura 14 podem ser aplicados no sensor da empresa META Vision.
Figura 14. Exemplos de juntas e pontos de interesse [26]
O conjunto de pontos medidos pelo sensor de triangulação laser deve ser interpretado de
forma adequada para que sejam extraídas as informações importantes ao processo como, o gap,
desalinhamentos e volume da junta por exemplo. A informação da posição destes pontos
21
medidos está relacionada ao sistema de coordenadas da medição (SCM). Para que o ponto
medido seja utilizado pelo controlador do robô, a informação do ponto de interesse deve ser
transformada para o sistema de coordenadas do robô (SCB).
A Figura 15 apresenta, de forma esquemática, os processos de transformação da
informação de um ponto medido para o SCB. Também estão representados o sistema de
coordenadas da interface do robô (SCI), sistema de coordenada da medição do sensor (SCM) e o
ponto medido pelo sensor. Este ponto pode ser, por exemplo, a posição do centro de uma junta
de soldagem. Ao capturar a posição do ponto, esta informação é descrita em função do SCM.
Para que o robô compreenda este ponto ele deve ser descrito em função do SCB. A
transformação necessária para caracterizar um ponto medido em função do SCB é TBM
. Esta
transformação pode ser definida em função de TIM
e TBI, que respectivamente representam a
matriz de transformação que relaciona o SCI com o SCM, e a matriz que relaciona o SCB com
SCI. TBI é conhecida pelo controlador do robô e é utilizada para calcular as trajetórias da
interface do robô. TIM
é função da fixação entre o STL e a interface do robô. O procedimento
que define TBM
é chamado de calibração extrínseca do sensor e deve ser realizado sempre que a
fixação do sensor for alterada [30] [31].
Figura 15 Transformação do ponto medido para o sistema de coordenadas do
robô.
22
2.2.1 Especificações técnicas do STL tipo folha de luz
As Especificações de um STL se dividem em três grupos, requisitos metrológicos,
requisitos de robustez contra soldagem e requisitos mecânicos. Os requisitos metrológicos
abrangem a área “A” de medição do sensor, como mostrado na Figura 16, a profundidade de
medição (faixa que o sensor consegue medir longo do eixo z) e a largura de medição
(comprimento da medição realizada ao longo da linha projetada). A câmera é posicionada no
sensor com um ângulo entre seu eixo focal e o plano da folha de luz, assim, a ampliação da
imagem varia de acordo com secção da profundidade de medição. Desta forma, a largura de
medição pode variar ao longo da profundidade de medição, sendo mais larga próxima ao plano
2, e mais estreita próxima ao plano 3. A especificação da largura de medição pode ser
apresentada com valores máximos e mínimos ou em valor médio. A profundidade e a largura de
medição definem a área em que a medição pode ser realizada. No caso da soldagem, a secção da
junta ou o cordão de solda a ser medido deve ser posicionado na área de medição. Outro
parâmetro metrológico é o Stand-off que representa a distância entre início da faixa de medição
e o cabeçote do sensor. Esta característica é fundamental em operações com restrição de espaço,
como a soldagem de união de dutos em campo [27] [25].
Figura 3 Representação de parâmetros do sensor de triangulação laser
23
A resolução de um equipamento representa a menor variação que pode ser percebida
por este. No caso deste tipo de sensor, ela pode ser apresentada como resolução lateral e
resolução em z. Como o sensor realiza medições bidimensionais a incerteza de medição pode
apresentar valores diferentes para as coordenadas y e z.
A taxa de medição é a frequência com que o sensor consegue realizar medições. No
caso da soldagem esta taxa de medição está ligada à velocidade máxima de deslocamento da
tocha enquanto realizando um procedimento de soldagem. Quanto maior esta frequência o
equipamento detecta variações do chanfro com dinâmica maior.
2.2.2 Dificuldades impostas aos sensores de triangulação laser que trabalham com
soldagem
Os STL são movimentados sobre a junta de soldagem para realizar medições do
chanfro. Como descrito anteriormente, no caso da soldagem de união é necessário que se realize
a medição do chanfro durante o procedimento. Usualmente o sensor é fixado junto à tocha de
soldagem e posicionado a frente da mesma, desta forma a região medida pelo sensor fica a
aproximadamente 40 mm de distância do centro da tocha. O posicionamento do sensor próximo
à tocha de soldagem possibilita que o sistema determinar as condições da junta logo antes de
realizar a soldagem, entretanto o processo pode atrapalhar o funcionamento do sensor. As
dificuldades impostas ao sensor pelo processo de soldagem são diversas, entre elas, as mais
relevantes são intensidade luminosa do arco, calor, respingos de metal fundido e os fumos da
soldagem. Adicionalmente o ambiente em que se realiza este tipo de procedimento apresenta
partículas solidas suspensas no ar que podem prejudicar a medição e danificar o sensor. O
sensor também esta sujeito a aplicações em diferentes materiais com acabamentos superficiais
diferentes. Materiais como o alumínio ou o aço usinado tem predominante reflexão especular o
que prejudica a medição.
Sensores apropriados para trabalhar com a soldagem tem seu projeto adaptado para suportar, ou
amenizar, a influência do processo de soldagem na medição. Alguns sensores possuem sistema
de refrigeração a água para resfriar o sensor como demonstrado na Figura 17 [26]. A água é
levada até o sensor por mangueiras e circula em uma placa de troca de calor. Ainda para
suportar o ambiente da soldagem com fumos e partículas suspensas alguns cabeçotes são
pressurizados, impedindo que os circuitos eletrônicos e componentes óticos entrem em contato
com o ambiente. Adicionalmente, quanto mais próximo da tocha, maior a influência do calor e
da iluminação gerada pelo arco no sensor. A Figura 17 destaca o escudo anti-respingo para
contenção parcial dos respingos e da luz do arco.
24
Figura 17. Exemplo de cabeçote de medição por triangulação laser aplicado em
soldagem. [26]
O escudo é capaz de conter parcialmente a luminosidade do arco e os respingos, mas
não é suficiente. Uma técnica bastante aplicada para diminuir significativamente a intensidade
luminosa do arco é o emprego de filtros passa banda. Este tipo de filtro atenua os comprimentos
de onda da luz que estiverem fora da sua janela de especificação. A Figura 18 (a) apresenta
principio da filtragem da luz do arco com filtro passa banda [10]. É possível observar, que para
determinada condição, a faixa de comprimento de onda que tem maior intensidade é de 500 a
780 nm. O laser utilizado no artigo de referência utiliza como fonte de luz estruturada um
LASER de cor vermelha com comprimento de onda de 830 nm. Isso permite utilizar um filtro
passa banda que atenue os comprimentos de onda indesejados. A Figura 18 (b) mostra o
espectro de luz do arco atenuado por um filtro e a luz do laser não é alterada significativamente.
Uma parcela de luz do arco ainda aparece nas medições.
Figura 18. (a) Luz do arco sem filtro (b) luz do arco com filtro Passa-Banda [10]
25
O sensor SLS 50 da empresa META vision foi testado à exposição da intensidade
luminosa do arco. De maneira geral, quando respeitadas às orientações do fabricante, a
luminosidade do arco não interfere na medição. Além do filtro de cor que atenua a intensidade
luminosa do arco o escudo anti-respingo se mostrou fundamental para a contenção da
luminosidade do arco. Sem este aparato a luminosidade do arco satura o sensor e impede a
medição.
O controle do tempo de exposição da câmera também é utilizado como mecanismo para
atenuar a intensidade do arco. Com um tempo de exposição reduzido a imagem capturada fica
escurecida, atenuando a luz do arco. Neste caso, a luz proveniente do emissor laser também é
atenuada. Para compensar este efeito, a intensidade do emissor laser é aumentada quando o
tempo de exposição é reduzido, mantendo assim, a linha laser destacada na imagem. A Figura
19 apresenta o sensor montado sobre um perfil semelhante a um chanfro de soldagem. Com
auxilio de uma lanterna foi criada uma perturbação da luz ambiente (em (a) medição sem
perturbação, e (b) medição com perturbação).
Figura 19 Interferência de luminosidade no funcionamento do STL
Nas duas situações o sensor consegue realizar as medições com sucesso. O
equipamento controla do tempo de exposição e intensidade luminosa do laser compensando a
perturbação luminosa imposta na Figura 19 B. No modo de controle automático, o sensor é
capaz de realizar medições com interferência de luminosidade externa. Quando este controle é
desabilitado, com apenas a intensidade luminosa de uma lanterna, o sensor é incapaz de realizar
a medição a menos que os parâmetros de shutter e intensidade sejam ajustados manualmente.
A Figura 20 apresenta as imagens do software do sensor onde a imagem capturada pelo
sensor é apresentada com o controle automático da câmera em (a), e sem controle automático
em (b). É notável a influência da estratégia de controle no resultado de uma imagem com menos
ruídos. Somente em (a) o sensor era capaz de realizar medições do chanfro.
26
Figura 20 Imagem capturada com controle automático (a) e sem controle automático (b)
Outro complicador para os sensores de medição por imagem é a característica de
reflexão das superfícies. Especialmente na soldagem, as superfícies medidas são metais como
alumínio e aço. A preparação da junta pode tornar a superfície com característica predominante
de reflexão especular, refletindo a luz do laser com uma direção preferencial. O ideal para este
tipo de sensor é realizar medição em superfícies com reflexão difusa onde a luz é refletida sem
uma direção preferencial. No caso de uma superfície com predominante reflexão especular a luz
do laser é refletida e pode aparecer com intensidade muito baixa na imagem capturada pelo
sensor. A luz refletida também pode atingir a junta de soldagem em outra região do campo de
visão da câmera, gerando uma imagem dupla que pode gerar um erro na medição. A imagem
gerada pelo reflexo da luz aparece distorcida e fora de foco. Alguns equipamentos fazem uso de
filtros digitais para eliminar os reflexos das imagens. Filtros de polarização também podem ser
utilizados para atenuar os reflexos.
O sensor SLS 50 foi experimentado em condições de alta reflexão para testar seu
comportamento nestes casos. Com o auxilio de um espelho (Figura 21(a)) o reflexo da linha
laser foi projetado sobre a faixa de medição do sensor gerando uma imagem dupla (Figura21
(b)). É possível observar que o reflexo gerado pela presença do espelho aparece na imagem
capturada. O reflexo não impede que o sensor realize a medição.
Figura 21 Reflexo da linha laser na área de medição
Espelho
27
Reflexos mais intensos podem atrapalhar o funcionamento do sensor. A Figura 22 (a)
apresenta um chanfro em V usinado por esmerilhamento em chapas de alumínio, e em (b) a
imagem capturada pelo sensor operando em modo de controle automático da câmera. Como é
possível observar na imagem, a superfície do chanfro é bastante irregular e gera muitos reflexos.
Em casos extremos como este, o sensor não foi capaz de realizar medições de forma adequada.
Em determinadas regiões da junta, onde a reflexão da chapa era desfavorável, como na Figura
22, era impossível realizar medições.
Figura 22 Imagem capturada de chanfro com superfície irregular
O processo de soldagem GMAW, mesmo bem regulado, pode apresentar respingos.
Estes são partículas de metal fundido que se desprendem do arame de solda e saltam para fora
da poça de fusão. Estas partículas com diâmetro entre 1 e 2 mm estão em temperaturas elevadas
e emitem radiação. Quando projetadas para fora da poça de fusão podem atravessar o campo de
visão da câmera. Estas goras de metal fundido viajam com uma velocidade alta o suficiente para
resultar em uma linha na imagem capturada, o que pode atrapalhar a medição. Devido à tocha
de soldagem ser posicionada atrás da linha do sensor o centro da tocha fica a uma determinada
distância da linha de medição. Os respingos são projetados radialmente com origem na posição
central da tocha, implicando na trajetória do respingo ser aproximadamente perpendicular a
linha de medição. Na prática os traços gerados pelos respingos têm até 25º de inclinação com
relação a perpendicular da linha do laser. Esta característica pode ser utilizada por um filtro
digital dedicado a eliminar a influência dos respingos na medição.
28
2.3 SENSORES COMERCIAIS
O emprego de sensores de triangulação laser na soldagem não é tão difundido quanto os
outros tipos de sensores. A pesar do desenvolvimento da tecnologia de medição ótica, não é
comum ver sensores deste tipo operando industrialmente. De fato, realizar medições óticas em
um ambiente de soldagem é um desafio, mas, como exposto anteriormente, existem técnicas que
o tornam possível. Em meio a diversos fabricantes de sensores óticos, apenas poucos arriscam
propor uma solução para esta tarefa. Os dois principais fornecedores de sensores de triangulação
laser (STL) para seguimento de junta durante procedimentos de soldagem no mundo são as
empresas META Vision e SERVOROBO. De maneira geral, as informações sobre os modelos
de sensores não são de livre acesso na internet, o que dificulta a realização de uma leitura
completa dos modelos oferecidos no mercado.
2.3.1 Sensor META Vision
Os sensores da série SLS da empresa META Vision são aptos a trabalhar próximos a
procedimentos de soldagem. Eles dispõem de placa de refrigeração a água, pressurização do
cabeçote, escudo contra respingos e janela de proteção contra respingos. A Figura 23 apresenta
a bancada onde se encontra o sensor SLS-050 V1 disponível no LABSOLDA. Também
compõem a bancada, um robô de soldagem equipado com tocha, o controlador do robe e um
computador para configuração do sensor.
Figura 23 Sensor SLS-050 V1 MetaVision.
29
A tabela abaixo apresenta as especificações fornecidas pelo fabricante para os quatro
modelos da linha SLS 050. Os modelos tem variação quanto à área de medição e incerteza de
medição. A incerteza de medição é apresentada pelo fabricante como erro máximo de
seguimento, ou seja, o erro que o sensor apresenta na medição do ponto central da junta. A
Tabela 1 apresenta as especificações do sensor.
Tabela 1 Sensores comerciais META Vision [26]
Meta
Modelo
SLS-025
V1
SLS-050
V1
SLS-050 LR
V1
SLS-100 LR
V1
Campo de visão (mm) 25 50 50 100
Profundidade de visão (mm) 32 70 60 125
Standoff (mm) 45 65 150 150
Horizontal Pixel Resolution (mm) 0,025 0,05 0,05 0,1
Vertical Pixel Resolution (mm) 0,025 0,08 0,08 0,15
(no Standoff nominal)
Seguimento:
Erro máximo Horizontal (mm) ± 0,05 ± 0,1 ± 0,1 ± 0,25
Erro máximo Vertical (mm) ± 0,05 ± 0,1 ± 0,1 ± 0,25
Características Dimensionais:
Largura 39,5 39,5 39,5 39,5
Altura 118 118 118 118
Profundidade 75 75 132 132
Peso 650 650 750 750
Câmera:
Frame rate 25 até 100 fps
Tecnologia do sensor CMOS
Laser:
Potência 30mW
Comprimento de onda (nm) 685 (660-699)
Classe de segurança 3B (IEC60825-2001)
Interface de comunicação Ethernet+ CAN
Comprimento máximo do cabo 50m
30
Os sensores comerciais disponibilizam integração com equipamentos industriais de
forma simples. No caso de robôs industriais os sensores utilizam atualmente a porta de
comunicação Ethernet para interligar os dois sistemas. Os sensores enviam para o controlador
do robô apenas as informações necessárias para o seguimento e correções da soldagem. Toda
interpretação da imagem é realizada no cabeçote do sensor. O fabricante do robô disponibiliza
uma funcionalidade do software do robô específica para os STL com seguimento de junta,
correções e calibração extrínseca do sensor. O seguimento consiste em utilizar as informações
vindas do sensor para alterar a trajetória da tocha.
No caso de robôs dedicados à soldagem, como os orbitais utilizados em procedimentos
de união de dutos, a META Vision disponibiliza um conjunto de softwares e bibliotecas em
linguagem C# e C++. Com estas bibliotecas é possível desenvolver de um novo software para
integração com outros dispositivos.
2.3.2 Sensor Servo Robo
As características técnicas dos sensores de triangulação são semelhantes, variando a
área de medição e outras características metrológicas. A Figura 24 apresenta o sensor PN026950
oferecido pela empresa Servo Robo. É possível observar na imagem as conexões de refrigeração
e pressurização do cabeçote. ATabela Tabela 2 apresenta as especificações fornecidas pelo
fabricante.
Figura 24 Sensor ServoRobo
Tabela 2 Sensores comerciais ServoRobo
ServoRobo
Modelo PN026950
Campo de visão (mm)
Máximo e Mínimo
( 27 – 76 )
31
Profundidade de visão (mm) 140
Standoff (mm) 70
Horizontal Pixel Resolution (mm) 0,09
Vertical Pixel Resolution (mm) 0,05
(no Standoff nominal)
Características Dimensionais:
Largura 33
Altura 94
Profundidade 58
Refrigeração Ar
Interface de comunicação Ethernet + RS232
+ 4 Portas analógicas
Comprimento máximo do cabo 30m
O equipamento da empresa Servo Robô também pode ser integrado a robôs industriais.
Entretanto, para que esta integração seja possível, é necessária além do cabeçote de medição,
uma unidade de controle. Esta tem a função de interpretar os dados vindos do sensor e
estabelecer a comunicação com o robô. A empresa Servo Robô disponibiliza soluções
dedicadas, oferecendo seus próprios robôs manipuladores. Oferece também um software
proprietário para programação integrada do sensor com seus robôs. O software é bastante
semelhante à programação de um robô industrial, com marcações de pontos e funções
específicas para o seguimento da junta e outras correções. A integração com robôs de outros
fabricantes não se da de forma simples.
2.4 CONTROLE ADAPTATIVO
Um procedimento automático de soldagem é dependente do posicionamento e formato
da junta, caso alguma destas características se altere de forma não prevista a soldagem pode
resultar em falha. Para alcançar um procedimento completamente automatizado o sistema deve
realizar o controle adaptativo. Este controle tem por características adaptar-se, ou ajustar o
comportamento para lidar com novas circunstâncias [28]. No caso da soldagem, as variáveis de
entrada são características geométricas das juntas e variáveis do processo de soldagem. O
controle deve ajustar a movimentação da tocha e variáveis do processo para garantir as
características desejadas da solda.
32
Análogo ao trabalho realizado por um soldador, o sistema deve ser capaz de, por
exemplo, identificar o aumento no ângulo do chanfro e rapidamente atuar nas variáveis do
sistema. Por exemplo, diminuir a corrente de soldagem, posicionar a tocha em uma altura
adequada para a tensão de soldagem e realizar a movimentação adequada da tocha. Este tipo de
procedimento é denominado soldagem adaptativa, e tem sido foco de muitos estudos pelo o
mundo [1].
A soldagem é um processo de múltiplas variáveis o que dificulta o controle
automático do processo. Geralmente este tipo de controle não é utilizado na soldagem de raiz e
se restringe aos passes de enchimento. Para os passes de enchimento a soldagem adaptativa é
realizada com bons resultados na indústria [11] [30] [15] [14] [31]. Trabalhos acadêmicos
mostram aplicações de procedimentos de enchimento de chanfro em “V” para união de chapas
na posição plana. Esta configuração elimina alguns perturbadores do processo, como a posição
de soldagem fator que influência na sustentação da poça de metal fundido em procedimentos de
soldagem de raiz [14].
A estratégia utilizada nos procedimentos de enchimento com processos adaptativos
consistem em compensar a variação de forma do chanfro que deve ser preenchido atuando na
quantidade de material depositado por unidade de comprimento da junta. A Figura 25 (A)
apresenta o desenho de um corpo de prova com um chanfro variável, a geometria da parte
inicial do chanfro diferente da geometria da parte final.
Em desenvolvimentos recentes do LABSOLDA em parceria com o instituto de
pesquisa SLV München foram realizados procedimentos de soldagem com controle adaptativo
em soldagem de união de chapas com chanfro em V [29]. Neste desenvolvimento foram
realizadas soldagens de passe de raiz e enchimento na posição plana.
O sistema utilizado neste trabalho é comercializado pela empresa Servo-Robô e é
composto pelos módulos de robô de soldagem, STL, módulo de comunicação com fonte de
soldagem e módulo de controle adaptativo [30] [31] [29]. O modulo de comunicação com a
fonte de soldagem faz a integração do módulo de controle adaptativo e a fonte de soldagem.
Toda lógica de controle presente no sistema foi desenvolvida no módulo de controle adaptativo.
O controle adaptativo foi desenvolvido para soldar duas chapas posicionadas lado a
lado com um pequeno desalinhamento, conforme a Figura 25 (A) de modo que o chanfro
variasse durante a soldagem. Como pode ser observado na Figura 25 (B), tanto o gap entre as
chapas, como secção transversal do chanfro, varia ao longo da junta (B1 e B2). Para alcançar
um resultado satisfatório a trajetória da tocha e as variáveis de soldagem devem ser ajustadas ao
longo da junta. Em azul está ilustrada a trajetória da tocha de soldagem para o passe de raiz.
33
Figura 25 Desenho do corpo de prova para soldagem adaptativa
Neste caso a soldagem de raiz foi realizada sem backing, sendo o principal desafio
sustentar a poça metálica sem que o material escorra e manter o perfil da raiz aceitável. Backing
é o nome dado ao anteparo colocado atrás da junta de soldagem para ajudar na sustentação da
poça metálica durante a soldagem. O controle desenvolvido relaciona o gap (b), parâmetros do
processo e o percentual do volume do chanfro que se pretende preencher no determinado passe.
Este percentual está diretamente relacionado à quantidade de passes necessários para o
preenchimento do chanfro.
A velocidade de arame é um parâmetro fundamental para o controle da penetração da
solda. Para um chanfro com gap estreito a velocidade de arame deve ser maior garantindo que a
penetração da raiz. Um gap maior dificulta a sustentação da poça de material. Assim, uma
velocidade de arame menor contribui para que a poça não escorra. Em uma junta com o chanfro
variável a velocidade de arame deve ser ajustada ao gap. Neste desenvolvimento a velocidade
de arame foi controla em função do gap de acordo com a Equação 7.
(7)
Em alguns casos onde o gap assume valores maiores ou iguais 1 mm é necessário
acrescentar o movimento de oscilação transversal da tocha. A amplitude deste movimento
( deve ser ajustada de acordo com o valor medido do gap conforme Equação 8.
representa o raio do arame de soldagem utilizado.
(8)
34
O gráfico da Figura 26Figura foi construído para melhor ilustrar as relações entre
velocidade de arame, amplitude de movimento e gap utilizados por Kindermann [29]. Estas
relações respeitam as características do processo e da junta de soldagem.
Figura 26 Velocidade de arame e amplitude de oscilação em função do gap
Quando se planeja preencher um chanfro com uma determinada quantidade de
material é importante respeitar um determinado percentual de preenchimento para cada passe.
Assim, para um chanfro com gap estreito se teria uma velocidade de alimentação de arame
elevada, onde é depositado mais material sobre a junta. Para que este primeiro passe não
preencha o chanfro demasiadamente a velocidade de soldagem compensa este aumento de
material depositado. Com o objetivo manter o mesmo percentual de preenchimento do passe a
velocidade de soldagem ajustada de acordo com a Equação 9. A variável representa a
área do chanfro que deverá ser preenchida no passe atual. Ela é definida com base na leitura da
área do chanfro e no percentual de enchimento destinado aquele passe.
(9)
Esta metodologia foi aplicada com sucesso na soldagem os corpos de prova na posição
plana. O mesmo corpo de prova quando colocado em posições de soldagem diferentes pode não
ter resultados positivos com o mesmo controle adaptativo. Como comentado anteriormente, a
soldagem orbital experimenta o processo em posições diferentes e para realizar uma soldagem
adaptativa seria necessário um controle que contemplasse as diferentes situações em que o
processo é exposto. O trabalho apresentado anteriormente [29] relata o controle aplicado a um
35
único caso com um chanfro, posição e processo específico. Os parâmetros utilizados na posição
plana devem ser diferentes dos empregados na vertical ascendente, por exemplo.
Soluções comerciais para controle adaptativo de soldagem são disponibilizadas pelas
empresas Fanuc, Meta, ABB e Motoman. O MOTOEYE-LT é o pacote de softwares da empresa
MOTOMAN com funcionalidades para correções com sensores laser. Estes softwares são
responsáveis por fazer a comunicação com sensores laser e tratar as informações recebidas para
realizar as correções. Esta ferramenta permite realizar o seguimento de junta controlando a
posição da tocha e mantendo o alinhamento e distância entre a tocha e a peça. Permite também
realizar o controle adaptativo da velocidade de soldagem, posição da tocha, frequência e
amplitude da oscilação da tocha, tensão de soldagem e corrente de soldagem.
O controle adaptativo é realizado neste sistema utiliza somente o gap entre os dois
lados do chanfro como variável de entrada. A Figura 27 representa a tela de condições de
controle adaptativo onde, para os valores de gap previstos são definidos parâmetros como,
tensão, corrente, posição da tocha ao longo do eixo z do sistema de coordenadas da tocha e
velocidade de soldagem. No exemplo da Figura 27, quando o gap assumir valor igual a 0,1 mm
a tensão, corrente e velocidade assumem valor igual a 100% do valor ajustado para o
procedimento. Esta seria a condição ideal, onde os parâmetros de soldagem e movimentação
ajustados no sistema resultam em uma soldagem satisfatória. Conforme o gap assume valores
maiores como 0,4 mm a tensão deve ser ajustada para 120%, a corrente para 110% e a
velocidade de soldagem para 85% do valor de referência. A tocha também é deslocada 0,5 mm
no sentido negativo do eixo z afastando a tocha da peça [32]. Esta nova configuração de
parâmetros é a ideal para o gap 0,4 mm.
Figura 27 Representação da tela de parametrização de uma condição de controle
adaptativo [32]
É possível programar diferentes condições de controle para atuar quando desejado. O
desenvolvimento destes parâmetros é de responsabilidade do integrador do robô. No caso de
compra de um sistema como este é necessário realizar uma serie de ensaios para definir os
parâmetros utilizados em cada condição.
36
A patente requerida pela empresa norte americana McDermott no ano de 2012 nos
Estados Unidos da América protege o desenvolvimento de um sistema de soldagem adaptativa
para dutos [33] [34]. O sistema em questão é constituído de no mínimo dois robôs de soldagem
equipados cada um com um cabeçote de soldagem. Os cabeçotes são fixados a uma cinta orbital
e se deslocam ao longo da junta conforme mostra a Figura 28. Estes cabeçotes são compostos
por uma tocha de soldagem e um sensor de triangulação laser. Em uma primeira etapa os
cabeçotes circulam ao redor do duto realizando o escaneamento da superfície da junta sem
realizar nenhuma operação de soldagem. Os dados são enviados para um computador onde as
aquisições da geometria do duto são combinadas para formar um modelo completo da junta. A
partir deste modelo são definidos os parâmetros de do processo. Com este processamento
realizado a soldagem pode ser iniciada.
Figura 28 Disposição dos cabeçotes ao redor do duto
Neste documento o requerente da patente indica a utilização de até seis cabeçotes de
soldagem e escaneamento. Esta indicação é justificada pela compensação do tempo gasto no
procedimento de escaneamento da junta onde o equipamento se desloca por todo duto sem
soldar. Esta estratégia implica em aumento do custo do equipamento e o tempo gasto em uma
operação de união. Não são apresentadas as estratégias de controle aplicadas para realizar as
correções adaptativas neste equipamento. O sistema disponibiliza apenas ferramentas para a
criação das estratégias de controle que devem ser desenvolvidas para cada aplicação.
Este fator, aliado com o custo elevado deste tipo de sistema, explica o fato da
tecnologia não ser difundida. De fato, estes módulos são apenas ferramentas que viabilizam o
desenvolvimento do controle adaptativo, entretanto o controle em si é fundamentado na base de
conhecimento sobre o processo. Desta forma a aquisição de um sistema deste tipo implica em
um desenvolvimento específico para cada aplicação.
37
3 OBJETIVOS
Os desenvolvimentos na área de soldagem adaptativa de união de dutos são bastante
escassos na literatura. Como mencionado anteriormente, a bibliografia em forma de livros,
artigos e patentes se limita muitas vezes às aplicações da soldagem adaptativa na posição plana
e não são completamente demonstradas as estratégias de controle utilizadas no sistema. Os
relatos de soldagem orbital com esta técnica de controle demonstram que as aplicações em duto
são realizadas com o escaneamento prévio da junta. Este fator limita o controle a condição
inicial da junta e aumenta o tempo de operação com um procedimento a mais. A leitura
simultânea à soldagem permite também verificar o resultado do passe de raiz e de cada passe do
enchimento do chanfro com a possibilidade de realização das correções pertinentes.
Adicionalmente, grande parte dos trabalhos que apresentam o controle adaptativo se limita aos
passes de enchimento do chanfro. Diante da problemática apresentada, este trabalho tem como
objetivo principal desenvolver um sistema para soldagem automática de união de dutos
utilizando um sensor de triangulação laser para realizar a soldagem adaptativa orbital de união
de dutos com a leitura da junta sendo realizada simultaneamente ao o processo de soldagem.
O desenvolvimento de novas aplicações para soldagem utilizando as informações de
um sensor de triangulação laser é dificultado pela dependência de um equipamento comercial e,
muitas vezes, limitado pelas características do equipamento. Os sensores de triangulação laser
disponíveis no mercado apresentam limitações para o desenvolvimento de novas aplicações,
permitindo somente funcionalidades previstas pelo fabricante do sistema. Para se conseguir a
flexibilidade necessária para o desenvolvimento de uma tecnologia inovadora como o sistema
proposto, é fundamental o completo domínio do sensor. Sendo assim, são objetivos deste
doutoramento:
Desenvolver um STL com projeto óptico e mecânico adaptado para
possibilitar a medição simultânea à soldagem robotizada. O equipamento
deve dispor de pressurização, trocador de calor, anteparo, filtros ópticos,
filtros de processamento imagem, controle de potência do laser e controle do
shutter;
Integrar STL com robôs de soldagem incluindo protocolo de comunicação e
desenvolvimento de uma rotina de calibração extrínseca.
Desenvolvimento de algoritmos para interpretação das juntas de soldagem
convencionais e não convencionais.
Dominar a tecnologia de filtros e processamento de imagem que permitem a
aplicação da metrologia ótica por triangulação laser em aplicações de
soldagem. Desenvolver novas estratégias para melhorar a resistência do STL
aos procedimentos de soldagem.
38
Integrar o sensor a um manipulador robótico e a uma fonte de soldagem
desenvolvidos no LABSOLDA para compor um sistema de controle
adaptativo.
Desenvolver uma ferramenta de auxílio ao desenvolvimento das regras do
controle adaptativo e estudo das distorções geradas pela soldagem da peça
durante o processo.
Adicionalmente, a nacionalização desta tecnologia proporciona à indústria brasileira uma
solução de alta tecnologia somente desenvolvida e aplicada industrialmente no exterior.
4 DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE ADAPTATIVO
Em uma soldagem adaptativa, por exemplo, ao mesmo tempo em que é realizada uma
medição da junta a corrente de soldagem é ajustada e a velocidade de movimentação da tocha
também é alterada. O perfeito funcionamento do sistema depende dos parâmetros de controle e
da integração dos elementos que compõem o sistema. Esta integração só é possível devido ao
domínio das tecnologias envolvidas. O LABSOLDA desenvolve tecnologias para soldagem e
sua automação como, fontes de soldagem, processos de soldagem e manipuladores robóticos.
Este contexto permite o desenvolvimento de sistemas complexos e multidisciplinares como o
proposto neste trabalho. A Figura 29 apresenta, de forma esquemática, os principais elementos
do sistema proposto e o fluxo de informações. O controlador do manipulador robótico
estabelece relação com todos outros elementos, ele envia os parâmetros de soldagem para a
fonte que realiza o processo. O manipulador robótico também movimenta a tocha de soldagem,
e consequentemente atua diretamente no processo de soldagem. O sensor laser, quando
solicitado pelo manipulador robótico, realiza medições da junta que está sendo soldada. As
medições do sensor laser indicam a atual condição da junta. Com esta informação o
manipulador busca em sua base de dados o melhor conjunto de parâmetros para realizar a
soldagem na condição atual. Os parâmetros de movimentação da tocha e de soldagem são
ajustados garantindo o resultado do procedimento.
39
Figura 29 Diagrama esquemático do sistema de controle adaptativo.
A integração dos equipamentos envolvidos com certeza é um ponto importante para o
funcionamento do sistema, porém criação desta base de dados específica para cada condição de
soldagem e a metodologia utilizada para organizar e comparar estes dados com a medição atual
é o que torna possível o controle adaptativo.
4.1 MANIPULADOR ROBÓTICO
Neste sistema o manipulador robótico tem a função de deslocar a tocha de soldagem ao
longo da junta. No caso da soldagem orbital o manipulador deve ser fixado por cintas que
abraçam o duto e servem de guia para o movimento. O equipamento desenvolvido no
LABSOLDA para a esta aplicação é o Tartílope V4 [6] [35]. A Figura 30 apresenta o
manipulador robótico Tartilope V4 em (A), gabinete de controle em (B), Interface homem
máquina em (C), e controle para correção manual.
Figura 30 Tartílope V4: (A) Manipulador, (B) Gabinete de controle, (C) Interface
homem-máquina e (D) Controle para correção manual [35]
40
A arquitetura do controle do Tartilope V4 foi desenvolvida baseada no CNC (controle
numérico computadorizado) muito aplicado em máquinas automáticas de usinagem e corte. É
característico deste tipo de sistema executar uma trajetória programada e não permitir alterações
durante o funcionamento da máquina. Para a soldagem esta condição dificulta realizar as
correções, e a arquitetura do sistema foi modificada para um controle proprietário que
possibilitou novos desenvolvimentos e integração com sensores de diferentes tipos. Atualmente
o equipamento é bastante flexível e permite correções manuais em todos os eixos e integração
com sensores.
4.2 REQUISITOS DO SENSOR DE TRIANGULAÇÃO LASER
Para possibilitar a soldagem adaptativa proposta será desenvolvida o sensor de
triangulação laser com o conjunto de características necessárias para realizar medições durante o
procedimento. A área de medição deve ser dimensionada para que possa realizar a medição das
juntas previstas e comportar variações de forma e posição da junta. O campo e a profundidade
de medição devem permitir o deslocamento da junta dentro da área de medição. Este
deslocamento está diretamente ligado ao desvio angular máximo do centro junta. No caso da
soldagem de união de dutos este desvio não é significativamente alto, mas com o objetivo de
projetar um sensor flexível para outras aplicações este fator deve ser considerado. A Figura 31
apresenta uma tocha de soldagem e a folha de luz de um STL sobre um chanfro em “v”. Em (A)
a tocha está posicionada sobre uma secção reta no início da junta. Na posição (B) existe um
ângulo na linha central da junta na região entre a tocha e a linha laser. Neste caso, é possível
observar que o perfil do chanfro está posicionado na extremidade da linha laser. Para que o
sensor encontre a posição é necessário que toda junta seja compreendida na imagem capturada.
Neste caso o desvio angular da junta deve ser menor que α.
41
Figura 31 Variação angular máxima admitida para o seguimento de junta
O erro vinculado a uma medição de posição ou geometria de uma junta de soldagem
pode comprometer o desenvolvimento do controle adaptativo. No caso do seguimento de junta a
incerteza de medição pode levar o sistema a não posicionar a tocha no centro da junta. No
controle adaptativo estes erros podem ter consequências variadas dependendo do controle
empregado.
A frequência de aquisição do sensor deve ser compatível com a velocidade de
soldagem. O intervalo entre medições deve ser curto o suficiente para que a distância entre
medições não ultrapasse o valor de 5 mm. Em procedimentos de união de dutos as velocidades
de deslocamento a tocha são baixas, mas, para garantir que o sensor seja flexível para
procedimentos com velocidades de até 3 m/min a frequência mínima de aquisição necessária
seria de 10 Hz. A Tabela 3 apresenta os requisitos metrológicos e dimensionais do sensor para a
aplicação. As características dimensionais (Altura, Largura, e profundidade) são
respectivamente referentes aos eixos (X, Y e Z) da Figura 16.
Tabela 3 Requisitos do sensor
Campo de visão (mm) 120
Profundidade de visão (mm) 100
Stand-off (mm) 150
Erro máximo Horizontal (mm) ± 0,1
Erro máximo Vertical (mm) ± 0,1
Largura (mm) < 50
Altura (mm) < 150
Profundidade (mm) < 160
Peso (g) <800
42
Frequência de aquisição (Hz) >10
Comprimento mínimo do cabo 30m
Para garantir o desempenho das aquisições de imagem, serão empregadas as técnicas
de resistência à soldagem apresentadas na bibliografia como, o filtro de cor, escudo anti-
respingo, controle do shutter, controle da potência do laser, filtros de processamento de imagem
entre outros. O novo sensor será capaz de realizar a técnica de sincronização o controle do
shutter com a intensidade luminosa do laser. Esta funcionalidade já apresentou bons resultados
em equipamentos comercias. Outras propostas serão aplicadas para superar a interferência da
luminosidade do arco elétrico como a subtração de imagens e a sincronização da captura de
imagens com parâmetros de soldagem.
A técnica de subtração de imagens consiste em primeiramente capturar uma imagem
de referência com o laser completamente desligado. Nesta imagem aparecerão somente os
ruídos que não foram eliminados pelos filtros anteriores do sensor. Uma segunda imagem é
capturada com o laser ligado. Se os ruídos forem constantes nas duas imagens a diferença entre
elas é a imagem do laser. Esta técnica pode ser aplicada considerando que, no processo de
soldagem, a luminosidade do arco é responsável por grande parte dos ruídos da imagem e pode
apresentar variação de uma imagem para outra.
A técnica de sincronização considera que é possível ter um indicativo da intensidade
luminosa do arco pelas variáveis elétricas do processo. Esta característica pode ser utilizada para
sincronizar a captura da imagem com as variáveis elétricas. No caso de um procedimento
pulsado, em determinados instantes, a potência do processo é reduzida e como consequência a
intensidade luminosa do arco também diminui. Outros processos podem ainda provocar o curto-
circuito entre o eletrodo e a peça praticamente extinguindo a emissão de luz. A técnica proposta
procura fazer uso destes momentos para diminuir as interferências da luminosidade do arco nas
imagens capturadas.
4.3 DESENVOLVIMENTO DO CONTROLE ADAPTATIVO
Para validar o funcionamento do sensor e a integração do sistema, será aplicado o
controle adaptativo apresentado por Kindermann [37]. Este controle foi desenvolvido baseado
na observação de e um soldador experiente, bem como, na tentativa e erro de diferentes regras
de controle. Como ferramenta para auxiliar desenvolvimento de novos procedimentos
adaptativos o sistema será dotado de um modo de avaliação do soldador. Neste modo, um
operador irá controlar o sistema de soldagem equipado com o sensor laser da mesma forma que
faria com um procedimento mecanizado. Neste caso, o operador é responsável por observar as
43
variações da junta e ajustar os parâmetros da soldagem. O sistema realiza o escaneamento da
junta e plota um gráfico com as leituras de parâmetros do processo e característica dimensional
da junta ao longo de seu comprimento. O gráfico exemplo da Figura 32 apresenta a área da
junta, Gap, e um Parâmetro de Soldagem de interesse. Quando o sistema identifica uma
intervenção do operador no parâmetro de interesse é adicionada ao gráfico uma marcação de
ajuste manual no parâmetro.
A solda resultante deste procedimento pode ser confrontada com gráfico de variáveis
para identificar se a atuação do soldador foi correta. Podem ser realizadas repetidas soldas para
definir as equações de controle do processo. Esta ferramenta não realiza automaticamente o
equacionamento do controle adaptativo para o sistema, mas relaciona as variáveis do processo
auxiliando neste desenvolvimento. Adicionalmente, esta ferramenta também pode ser utilizada
na avaliação e treinamento de soldadores que utilizam os robôs de soldagem sem o controle
adaptativo.
Figura 324 Gráfico de avaliação do operador
5 CONCLUSÃO
O desenvolvimento de novas tecnologias em automação da soldagem é dependente
dos sensores utilizados no processo. As dificuldades impostas pela soldagem muitas vezes
limitam a aplicação de sensores. Os sensores de triangulação laser, em especial, sofrem com o
ambiente da soldagem, irradiação de calor, e alta intensidade luminosa do processo. Os
equipamentos comerciais que utilizam esta tecnologia apresentam limitações quanto à
resistência à soldagem e flexibilidade para novas aplicações. O desenvolvimento de um sensor
de triangulação laser com arquitetura aberta permite que novas tecnologias como o controle
adaptativo sejam aplicadas.
44
Na soldagem de união de dutos, por exemplo, o controle adaptativo pode contribuir
para que o resultado de um procedimento automatizado seja menos vulnerável a variações da
junta. Adicionalmente, processos de soldagem e equipamentos com maior autonomia são
alternativas para o emprego de soldadores com menos habilidade manual, o que pode atenuar o
atual cenário de falta de mão de obra qualificada.
Os desenvolvimentos em soldagem e sua automação, realizados no LABSOLDA, dão
suporte aos desafios de adaptação e integração do sensor com os equipamentos de soldagem. A
parceria com o LABMETRO, laboratório que é referência no desenvolvimento de tecnologia em
metrologia óptica dá o suporte tecnológico para a pesquisa e desenvolvimento do STL.
45
6 PREVISÃO FINANCEIRA
O presente trabalho trata do desenvolvimento de novas tecnologias para soldagem e
sua automação. Ao longo da sua história o LABSOLDA tem trabalhado em diferentes projetos
nesta mesma linha. Por este motivo, muitos dos equipamentos necessários para este trabalho já
estão disponíveis no laboratório. Além dos recursos financeiros para compra de equipamentos e
insumos, este trabalho conta com o corpo de colaboradores do laboratório composto por
técnicos e engenheiros com especialidades em áreas como eletrônica, automação industrial,
projeto mecânico entre outros. O Quadro 1 apresenta uma breve descrição dos itens necessários
para previsão financeira do projeto, bem como, a fonte dos recursos e o valor estimado.
Quadro 1 Previsão financeira
Descrição Fonte Valor Estimado
Chanfradeira para
dutos
Disponível no
LABSOLDA R$ 30.000,00
Fonte de soldagem Disponível no
LABSOLDA R$ 50.000,00
Robô de soldagem
orbital
Disponível no
LABSOLDA R$ 70.000,00
Sensor de
triangulação LASER
Disponível no
LABSOLDA R$ 45.000,00
Robô Industrial Disponível no
LABSOLDA R$ 120.000,00
Pacote de softwares
para integração
LASER - Robô
Disponível no
LABSOLDA R$ 20.000,00
Insumos de
soldagem LABSOLDA R$ 5.000,00
Chapas para corpos
de prova LABSOLDA R$ 5.000,00
Dutos para corpos de
prova LABSOLDA R$ 5.000,00
Insumos de
usinagem LABSOLDA R$ 3.000,00
Serviços de
usinagem LABSOLDA R$ 10.000,00
Componentes óticos
para construção do
sensor
LABSOLDA R$ 10.000,00
Total
R$ 373.000,00
46
7 CRONOGRAMA
Etapas
1. Projeto ótico do sensor de triangulação laser. O projeto óptico define os
componentes utilizados para a construção do STL, bem como as posições relativas entre eles.
2. Desenvolvimento do software do sensor. O software do sensor compreende
desde o tratamento da imagem capturada até a transformação dos dados em medições e sua
transmissão.
3. Projeto mecânico do sensor. O Projeto mecânico do sensor deve respeitar o
projeto ótico definido, contemplar os mecanismos de robustez como a refrigeração,
pressurização e escudo anti-respingo.
4. Fabricação do sensor. Nesta Etapa o projeto mecânico é executado.
5. Calibração do sensor e avaliação metrológica. A calibração do sensor é etapa
fundamental para transformação da imagem capturada em dados metrológicos.
6. Integração do sensor com robô de soldagem. Nesta etapa é realizada a
integração de software e hardware entre os dois equipamentos.
7. Avaliação do comportamento do sensor em ensaios com soldagem. Serão
realizados ensaios metrológicos expondo o sensor as condições de soldagem.
8. Ensaios de soldagem para elaboração do controle adaptativo. Nesta etapa será
realizada a soldagem de corpos de prova com variações de forma conhecidas para definir a
resposta do sistema.
9. Criação dos métodos de correção dos processos de soldagem de raiz e
preenchimento. Nesta etapa serão criados métodos para que o sistema aplique as respostas
definidas na etapa 8.
10. Soldagem orbital, raiz e preenchimento, com sensor laser de medição de juntas.
Os métodos serão aplicados em corpos de prova de união orbital de dutos.
11. Qualificação das soldagens realizadas. Nesta etapa as soldagens serão avaliadas
de acordo com a norma [4].
12. Elaboração de artigos e do texto da Tese.
47
Tabela 2 Cronograma
48
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