MARCOS VINICIO FERRAZ TAVARES

READEQUAÇÃO TECNOLÓGICA DE BAIXO CUSTO EM ROBÔ CARTESIANO

FLORIANÓPOLIS, 2012

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA

CAMPUS FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM MECATRÔNICA

MARCOS VINICIO FERRAZ TAVARES

READEQUAÇÃO TECNOLÓGICA DE BAIXO CUSTO EM ROBÔ CARTESIANO

Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Mecatrônica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina para a obtenção do Grau de Mestre em Mecatrônica.

Orientador: Prof. Nelso Gauze Bonacorso, Dr. Eng. Co-orientadora: Profª. Silvana Rosa L. de Sá, Mª. Eng.

FLORIANÓPOLIS, 2012

T231r Tavares, Marcos Vinício Ferraz Readequação tecnológica de baixo custo em robô

cartesiano [DIS] / Marcos Vinício Ferraz Tavares; orientador Nelso Gauze Bonacorso; coorientadora Rosa L. de Sá. – Florianópolis, 2012. 1 v. : il.

Dissertação (Mestrado Profissional em Mecatrônica) – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina.

Inclui referências. 1. CNC-PC. 2. Motor de Passo. 3. Robô industrial. 4. Retrofitting. I. Bonacorso, Nelso Gauze. II. Sá, Rosa L. de. III. Título.

CDD: 629.8

Sistema de Bibliotecas Integradas do IFSC Biblioteca Dr. Hercílio Luz – Campus Florianópolis Catalogado por: Edinei Antonio Moreno CRB 14/1065

Rose Mari Lobo Goulart CRB 14/277

READEQUAÇÃO TECNOLÓGICA DE BAIXO CUSTO EM ROBÔ CARTESIANO

MARCOS VINICIO FERRAZ TAVARES

Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de Mestre em Mecatrônica, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Mecatrônica

Florianópolis, 1 de Junho de 2012.

Prof. Nelso Gauze Bonacorso, Dr. Eng. - Orientador

Profª. Silvana Rosa Lisboa de Sá, Mª. Eng.– Co-orientadora

Banca Examinadora:

Prof. Nelso Gauze Bonacorso, Dr. Eng. - Presidente

Prof. Jean Paulo Rodrigues, Dr. Eng. – Titular

Prof. Rodrigo Lima Stoeterau, Ph.D. Eng. - Titular

DEDICATÓRIA

GOSTARIA DE OFERECER ESTÁ DISSERTAÇÃO A MINHA ESPOSA MÁRCIA POR SEU AMOR E A MEUS PAIS PEDRO E ANA, PELO INCENTIVO INCESSANTE.

AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer a todos que de um modo ou outro colaboraram para que esta dissertação se tornasse realidade, mas de modo especial gostaria de lembrar do prof. Nelso Gauze Bonacorso, por sua paciência incessante,sua convicção inabalagem e por acreditar que esta dissertação realmente seria possível. Quero agradecer também, aos colegas Felicio Gesser, Ricardo Kratz, Ivan Gomes pelas horas de discussão e apoio técnico que foram fundamentais para a conclusão do projeto físico, o corpo docente, discente e técnico administrativo do IFSC - Florianópolis pelo apoio prestado em especial ao hoje, tecnólogo Guilherme Santana Weizenmann, na época aluno do curso de Tecnologia em Mecatrônica.

Agradeço também a VEDAX, na pessoa do Sr. Leandro Jaeger, pela oportunidade e incentivo financeiro, sem os quais este trabalho jamais poderia ser concluído e aos colegas de trabalho que apoiaram a execução: Fábio Lauvir, Mauricio Santos, Jackson Andrade, Silvana Serpa, Soeli Coelho, Christiane Colantuano, Fabio Correia, José Henrique e Inácio Nunes.

RESUMO

Com o avanço da tecnologia e a necessidade de aumentar a produção, melhorar a qualidade e reduzir custos, os equipamentos inteligentes, como os de tecnologia CNC estão cada vez mais presentes, principalmente no setor industrial. Porém devido ao alto investimento necessário para obtenção de máquinas novas, tornou-se comum o procedimento de readequação tecnológica ou retrofitting de equipamentos desatualizados. Neste cenário, a presente dissertação apresenta de forma detalhada a metodologia e as etapas da readequação tecnológica de um robô cartesiano. Esta readequação foi realizada com base no trinômio custo, prazo e qualidade com referência nos conceitos de projeto para produtos mecatrônicos. O robô em questão possui um sistema cartesiano de três eixos lineares formando um volume de trabalho de 300x300x120 mm um sistema de controle e acionamento dedicados com arquitetura proprietária. Em um primeiro momento foi realizada uma avaliação do sistema existente na máquina onde se constatou que o sistema mecânico apresentava boas condições de uso podendo ser reaproveitado. Entretanto, o sistema de controle e acionamento, encontrava-se em péssimas condições sem possibilidade de substituição, devido ao fato de não haver suporte técnico de manutenção e operação por parte do fabricante. Diante desta situação, todo o sistema de acionamento, controle e programação foram substituídos por uma solução baseada em componentes de mercado de baixo custo. Embora o sistema tenha apresentado uma significativa piora em relação às características originais, os resultados obtidos nos ensaios de repetitividade e de operação na tarefa de furação robotizada são satisfatórios. Além disso, não há necessidade de pessoal altamente especializado para operar o robô ou realizar uma eventual manutenção. Palavras-chave: CNC-PC. Motor de Passo. Retrofitting. Robô industrial.

Abstract

With the technological advance and the needing of production increase, improve the quality and reduce the costs, intelligent equipments, like CNC technology, are increasing its presence especially in the industrial sector. But, the high investment needed to acquire new updated machines made usual the retrofitting of out of date equipments. In this case, the present dissertation shows the detailed methodology and the retrofitting steps of a Cartesian robot. This retrofitting was realized following the trinomial of costs, prompt and quality, also the concepts of mechatronics products projects. The present robot has a three axis Cartesian system with a working content of 300x300x120 mm and a dedicated control and driver system with proprietary architecture. First of all, a system evaluation was made, finding that the mechanical system was in good conditions and could be reused. However, the control system was in bad conditions, without fixing possibility because the factory does not provide technical support for maintenance and operation. Due to this situation, all the driver, control and programming systems were replaced by a low cost components solution. Despite of the system has decreased some of the original features, the operational and repeatability tests at milling tasks were satisfactory. Also, there’s no need of high specialized person for operation and eventual maintenance.

Keywords: CNC-PC, step motors, retrofitting, indust rial robot

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIGURA 1– Definição de retrofitting ............................................ 15

FIGURA 2- Robô Sankyo antes do retrofitting: em (a) a estrutura mecânica, em (b) o painel eletrônico aberto e em (c) o teach pendant ........................................................................................ 16

FIGURA 3- Modelo estratégico-operacional do Mestrado Profissional em Mecatrônica ....................................................... 18

FIGURA 4- Principais categorias de robôs: robôs industriais em (a) e (b), veículo autoguiado ou AGV em (c) e robô humanoide em (d) .......................................................................................... 22

FIGURA 5 - Robôs industriais, em (a) o antropomórfico de 6 DOF e em (b) o cartesiano de 3 DOF. Fonte: Adaptado de FANUC (a) e EPSON (b) (2011) .................................................................... 23

FIGURA 6 - Elementos do controle de movimento em malha aberta (a) e em malha fechada (b) .............................................. 25

FIGURA 7 - Formas tradicionais de estabelecer a realimentação: pelo servodriver em (a) e pelo controlador em (b) ...................... 26

FIGURA 8 - Tipos de integração: servodriver ao servomotor em (a) e CLP ao servodriver em (b) .................................................. 27

FIGURA 9 - Formas construtivas do rotor dos principais tipos de motores de passo: PM em (a), VR em (b) e híbrido em (c) ........ 28

FIGURA 10 - Características fundamentais do driver de motor de passo ........................................................................................... 29

FIGURA 11 - Placa eletrônica DeskCNC com dimensões: 50 mm x 62 mm ....................................................................................... 32

FIGURA 12 - Tela de comando do programa DeskCNC ............ 32

FIGURA 13 - Tela principal do programa Mach3 ....................... 34

FIGURA 14 - Diagrama de blocos funcional da concepção escolhida para o robô .................................................................. 38

FIGURA 15 - Condições do eixo X antes da limpeza e lubricação em (a) e depois em (b) ................................................................ 39

FIGURA 16 – Oxidação no servomotor CA do eixo Z do robô Sankyo ......................................................................................... 39

FIGURA 17 - Motores de passo alto torque modelo: HT23-401 na esquerda, HT23-398 no centro e HT23-394 na direita. Fonte: adaptado Applied Motion ............................................................. 40

FIGURA 18 - A concepção mecânica renderizada em ambiente CAD (a) e ambiente CAM (b) ...................................................... 41

FIGURA 19 - Ferramenta de furação usada: peça de fixação em (a) e a furadeira pneumática em (b). fonte: adaptado: Chigago pneumactic(b) .............................................................................. 41

FIGURA 20 - Modelos de correias do robô Sankyo, em (a) as antigas e em (b) as atuais. fonte: adaptado Mitsuboshi (a) Optibelt (b) ................................................................................... 42

FIGURA 21 - Driver de motor de passo selecionado ................. 43

FIGURA 22 - Curva torque x velocidade do motor HT23-401 com tensão: 24 V em A e 48 V em B .................................................. 44

FIGURA 23 - Painel eletroeletrônico: (a) as conexões com o PC e com a alimentação, (b) a placa de interface, (c) os drivers dos motores, (d) a placa com os relés de intertravamento, (e) os conectores dos motores e sinais de homes e em (f) os botões de comando ...................................................................................... 45

FIGURA 24 - Diagrama elétrico do circuito de potência ............. 46

FIGURA 25 - Circuito elétrico de intertravamento ...................... 47

FIGURA 26 - Homes dos eixos: circuito eletrônico em (a) e o sensor em (b) .............................................................................. 48

FIGURA 27 - Placa de interface de sinais 4AXRL: (a) alimentação em 220 Vac, (b) conexão DB25 com o PC, (c) 4 saídas à relé, (d) 8 saídas de comando e (e) 5 entradas de sinais ..................................................................................................... 48

FIGURA 28 - Configuração da comunicação do Mach3 ............ 50

FIGURA 29 - Configuração dos sinais de comando dos drivers dos eixos X,Y e Z ........................................................................ 51

FIGURA 30 - Configuração dos sinais de homes dos eixos do robô ............................................................................................. 52

FIGURA 31- Configuração dos sinais de entrada do controlador CNC para uso futuro ................................................................... 52

FIGURA 32 - Configuração dos sinais de saída do Controlador CNC ............................................................................................. 53

FIGURA 33 - Parâmetros do perfil trapezoidal de velocidade dos eixos do robô ............................................................................... 54

FIGURA 34 - Robô Sankyo após o retrofitting ............................ 55

FIGURA 35 - Trajetórias de usinagem geradas no EdgeCam ... 56

FIGURA 36 - Placa de aço usinada para levantamento dos erros de posição dos eixos X e Y ......................................................... 57

FIGURA 37 - Ciclo de ensaio padronizado, fonte: NBR NM-ISO 230-2:1999 .................................................................................. 58

FIGURA 38 - Estratégia usada para avaliar a rigidez do eixo X robô ............................................................................................. 61

FIGURA 39 – Resultado de deslocamento do eixo X nas direções Y e Z ............................................................................................ 61

FIGURA 40 – Estratégia usada para detectar “perda” de passo no motor do eixo Z. ..................................................................... 62

FIGURA 41 – Gráfico da perda de passo do eixo Z durante operação de furação ................................................................... 62

FIGURA 42 - Dispositivo guia para furação de peças ................ 63

FIGURA 43 - Ganho de produção em função da velocidade de avanço ......................................................................................... 64

FIGURA A1 – Ciclo de ensaio: eixo X em (a) e eixo Y em (b) ... 74 FIGURA A2 - Curva de desvios, repetitividade e exatidão do eixo X: retorno em (A), avanço em (B), ambos os sentindo em (C)...80 FIGURA A3 - Curva de desvios, repetitividade e exatidão do eixo Y: retorno em (A), avanço em (B), ambos os sentindo em (C)...81

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - Especificações originais do robô Sankyo, antes do retrofitting ..................................................................................... 17 TABELA 2 - Sinais usados pelo controlador CNC Mach3 .......... 49 TABELA 3 - Coordenadas dos pontos do ciclo de ensaio padronizado com p=33,000 mm.................................................. 59 TABELA 4 - Resultado da avaliação metrologia realizada nos eixos do robô Sankyo .................................................................. 60 TABELA A1–Tratamento estatístico referente ao ensaio do eixo X (continua) ..................................................................................... 75 TABELA A2 – Tratamento estatístico referente ao ensaio do eixo X .................................................................................................. 76 TABELA A3 – Tratamento estatístico referente ao ensaio do eixo Y(continua) .................................................................................. 77 TABELA A4 – Tratamento estatístico referente ao ensaio do eixo Y .................................................................................................. 78 TABELA A5 – Resultados eixo X ................................................ 79 TABELA A6 – Resultados eixo Y ................................................ 79

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas CA – Corrente Alternada CAD – Computer-aided design CAM - Computer-aided manufacturing CC – Corrente continua CLP – Controlador lógico programável CLPi – Controlador lógico programável interno CNC – Comando numérico computadorizado CNC-PC - Comando numérico computadorizado baseado em computador pessoal DSP – Processador de sinais digitais IF-SC – Instituto Federal de Santa Catarina ISO – International Organization for Standardization LED – Diodo emissor de luz LER – Lesão por esforço repetitivo NEMA - National Electrical Manufacturers Association NM – Norma Mercosul OEM – Original equipment manufacturer PC – Computador pessoal PM – Magneto permanente RIA - Robot Industries Association RPS – Rotações por segundo RPM – Rotações por minuto TTL - Transistor-Transistor Logic VCA – Tensão alternada VCC – Tensão continua VR – Relutância variável VVC – Valor Verdadeiro convencional

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .................................................................... 15

1.1 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA ........................................... 16

1.2 OBJETIVOS E CONTRIBUIÇÕES ...................................... 18

1.3 ESTRUTURA DO TEXTO ................................................. 19

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................. ............ 21

2.1 ROBÔS INDUSTRIAIS ..................................................... 22

2.2 TECNOLOGIAS DE CONTROLE ELÉTRICO DE ROBÔS INDUSTRIAIS .............................................................................. 24

2.3 TECNOLOGIAS DE ACIONAMENTO PARA MOTORES DE PASSO ....................................................................................28

2.4 TECNOLOGIAS DE GERAÇÃO DE COMANDOS PARA EIXOS30

2.5 RIGIDEZ MECÂNICA NO PROCESSO DE USINAGEM.......... 34

3 DESCRIÇÃO DO RETROFITTING .................................... 37

3.1 READEQUAÇÃO DO SISTEMA MECÂNICO ......................... 38

3.2 READEQUAÇÃO DO SISTEMA ELETROELETRÔNICO .......... 42

3.3 ADEQUAÇÃO DO CONTROLADOR CNC ........................... 50

4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS .......................... ........... 55

4.1 OPERAÇÃO A VAZIO ...................................................... 55

4.2 OPERAÇÃO COM CARGA ................................................ 57

4.3 OPERAÇÃO ASSISTIDA ................................................... 63

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................. ................. 65

5.1 CONCLUSÕES ............................................................... 65

5.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ....................... 67

REFERÊNCIAS ..........................................................................69 APENDICE A – DETERMINAÇÃO DA EXATIDÃO E REPETITIVIDADE DOS EIXOS X E Y DO ROBÔ SANKYO.....7 3

1 INTRODUÇÃO O atual cenário de crescimento da indústria brasileira que

pode ser evidenciado através da sondagem industrial realizada pela Confederação Nacional das Indústrias em maio de 2010, tem exigido das empresas a melhoria dos processos de fabricação na busca por atender uma maior demanda de produtos industrializados. Para atender tal situação, se torna clara para o empresário a necessidade de investir na melhoria dos processos de fabricação existentes ou na aquisição de novos bens de capital, como máquinas e equipamentos, que possibilitem um incremento nas quantidades produzidas, na fabricação de um novo produto, que não fazia parte de sua carteira de fornecimento, ou internalizar um serviço executado por um fornecedor.

Devido ao alto investimento para obtenção de máquinas novas, a adoção do procedimento de retrofitting em máquinas desatualizadas torna-se uma opção barata ao empresário que necessita otimizar sua produção. A palavra retrofitting teve sua origem nos EUA e significa literalmente readequar, como mostra a Figura 1. Assim, uma atualização tecnológica compreende apenas o processo de agregar recursos a um equipamento já existente com o objetivo de que o mesmo se adeque a nova demanda de fabricação, enquanto que 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 1– Definição de retrofitting

RETROFITTING => READEQUAR

ATUALIZAÇÃO

REFORMA

Restauração

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Máquinas automáticas como robôs industriais desatualizados tecnologicamente são equipamentos potenciais para a execução de um retrofitting para se adequar aos novos requisitos da manufatura. Na maioria dos processos de readequação tecnológica de robôs industriais, ocorre a troca dos sistemas eletroeletrônicos de sinal e de acionamentos por outros com melhor desempenho e maior confiabilidade (CHUNG, 2008).

Geralmente, a substituição do programa de geração e comando de trajetórias, por outro mais flexível e com interface de ensino amigável, é necessária devido ao fabricante impossibilitar que o mesmo seja parametrizado em função da mudança dos acionamentos. Neste sentido, a utilização de tecnologias CNC de baixo custo baseada em PC, usadas para a geração e o comando de trajetórias de máquinas automáticas, tornam ainda mais viável uma proposta de retrofitting (ARTSOFT, 2008).

1.1 Descrição do Problema

Com a meta de aumentar a produtividade e também

melhorar as condições de trabalho dos funcionários do setor de furação de componentes eletromecânicos, a empresa Vedax de Blumenau-SC, lançou o desafio da readequação tecnológica de um robô cartesiano da marca Sankyo Robotics do Japão, como tema a ser pesquisado e desenvolvido no mestrado profissional do IF-SC. Este robô usado e inoperante, como mostra a Figura 2, somente foi adquirido em um leilão porque fazia parte de um lote fechado no qual havia outras máquinas que interessavam a empresa Vedax.

(a) (b) (c) FIGURA 2- Robô Sankyo antes do retrofitting: em (a) a estrutura mecânica,

em (b) o painel eletrônico aberto e em (c) o teach pendant

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A aquisição do robô sem o software de programação BUZZ-PC e a interface de programação, Figura 2(c), impediu a sua operação além dos problemas visíveis de natureza mecânica e eletroeletrônica, tais como: motor com rotor travado no eixo Z, pó e oxidação nas placas eletrônicas do painel. Outro inconveniente encontrado foi à verificação de que todo o sistema de acionamento do robô (servomotores, drivers, controlador de movimento e interface de programação) é do tipo proprietário no qual o fabricante não fornece mais os referidos componentes para substituição.

As especificações originais principais do robô cartesiano são apresentadas na Tabela 1. Servomotores CA dos eixos X e Y possuem potência e velocidade nominais de 267 W e 4 krpm respectivamente e o servomotor CA do eixo Z é de dimensão menor com valores nominais de 118 W de potência e 4 krpm. Cada driver CA tem capacidade de acionar até dois servomotores onde o controle de movimento em malha fechada dos respectivos eixos, é realizado pelo controlador do robô (SANKYO ROBOTICS, 2001).

TABELA 1 - Especificações originais do robô Sankyo, antes do retrofitting

Características Valor ou Tipo Graus de liberdade / Números de eixos 3 / 3 Espaço de trabalho (mm3) 300x300x120 Tecnologia de acionamento dos eixos Servomotor CA Tecnologia de transmissão nos eixos Polia / correia e fuso Capacidade de carga (kg) 2 a 25 Resolução dos eixos (mm) 0,010 Repetitividade dos eixos (mm) ± 0,02 Velocidade máxima dos eixos (mm/s) 1400

Com base em uma inspeção inicial, em todos os

componentes do robô, constatou-se que os sistemas mecânicos de transmissão de movimento dos três eixos estavam em boas condições para futuro uso, ou seja, sem folgas necessitando somente de limpeza e lubrificação. Em contra partida, todos os sistemas eletroeletrônicos e eletromecânicos de acionamento e controle do robô não permitiam mais aproveitamento e foram descartados.

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1.2 Objetivos e Contribuições

Com base no modelo de atuação do Mestrado Profissional em Mecatrônica do IF-SC, Figura 3, que visa à realização de pesquisas em parceria com Empresas e Instituições de Ciência e Tecnologia. Assim, necessidades tecnológicas são trabalhadas no ambiente do Mestrado Profissional por alunos e professores, buscando-se soluções inovadoras aplicadas. O principal objetivo deste Mestrado Profissional é o de capacitar recursos humanos em sinergia com o desenvolvimento de tecnologias mecatrônicas aplicadas, seja em um produto inovador ou em uma inovação no processo de manufatura (ROLOFF, CUNHA, 2008).

FIGURA 3- Modelo estratégico-operacional do Mestrado Profissional em

Mecatrônica

O presente trabalho de dissertação se desenvolveu neste cenário com o objetivo geral de buscar uma solução de readequação tecnológica de baixo custo em robô cartesiano industrial visando aplicá-la no processo de furação automatizada de componentes eletromecânicos. Cabe ressaltar, que o processo de furação de componentes eletromecânicos da empresa envolvida é realizado de forma manual por operadores de furadeira de coluna.

Os problemas humanos, técnicos e econômicos advindos deste tipo de operação de furação manual são: lesão por esforço

19 repetitivo (LER) nos operadores de furadeira que pode levar a doenças ocupacionais, o trabalho além de insalubre (pelo contato com substâncias químicas) apresenta condições inseguras que podem levar a acidentes, a qualidade do trabalho depende da habilidade do operador e a baixa produção com descarte de peças devido à falha do operador são comuns.

Devido a flexibilidade funcional dos robôs, a execução do processo de furação de forma robotizada é uma solução natural que apresenta uma série de vantagens em relação ao processo manual, tais como: eliminação da lesão por esforços repetitivos, redução do tempo de exposição a agentes insalubres, redução de acidentes de trabalho, melhoria na qualidade das peças, redução do tempo de execução do ciclo de furação e a redução dos custos de produção.

Uma das principais contribuições deste trabalho de mestrado será a conscientização dos empresários brasileiros no sentido de que o retrofitting é uma boa solução para máquinas desatualizadas tecnologicamente ou desassistidas pelos seus respectivos fabricantes. Os ganhos obtidos com a execução deste serviço são: um maior grau de competitividade no mercado global, a eliminação dos prejuízos ambientais com o descarte de máquinas e a economia gerada na diferença entre a compra de uma máquina nova e os gastos da solução de readequação.

Para cumprir o objetivo geral deste trabalho de mestrado, faz-se necessário atingir os seguintes objetivos específicos:

a) realizar uma avaliação geral de todo o robô para determinar os componentes que permanecerão e os que serão substituídos;

b) implantar uma solução de readequação baseada em componentes padronizados de mercado e de baixo custo;

c) projetar e construir ou adquirir os componentes elétricos e mecânicos que se fizerem necessários para o correto funcionamento do robô;

d) realizar ensaios para verificar as características metrológicas do equipamento.

1.3 Estrutura do Texto O presente trabalho de dissertação foi dividido em V

capítulos, sendo a introdução, o primeiro.

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O segundo capítulo apresenta a fundamentação teórica das tecnologias de baixo custo, utilizadas na readequação tecnológica do robô cartesiano. Neste capítulo são destacados: o motor de passo do tipo híbrido, as características fundamentais requeridas do respectivo driver e os geradores de comando CNC.

No terceiro capítulo, é mostrado o desenvolvimento da readequação do robô Sankyo como um todo, desde a metodologia usada até a descrição detalhada do retrofitting das partes: mecânica, eletroeletrônica e programação.

A seguir, o quarto capítulo descreve os ensaios experimentais de avaliação do robô após a realização da readequação tecnológica. Inicialmente, são descritos os ensaios em laboratório para a obtenção das novas especificações do robô. Em seguida, os resultados dos testes de furação robotizada são apresentados com o objetivo de comparar com os produzidos pelo processo de furação manual de componentes eletromecânicos de uma das linhas de produção da empresa Vedax.

Por fim, o quinto capítulo traz as conclusões sobre o desenvolvimento e as sugestões para trabalhos futuros.

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

A palavra “robô” origina-se do termo tcheco “robotnik” que significa trabalhos forçados ou escravos. Teve a sua divulgação numa peça em 1923, por Karel Capek, no qual a ideia de um “homem mecânico” parecia pertencer a alguma obra de ficção (ROSÁRIO, 2005). De forma similar, o dicionário Aurélio da língua portuguesa define robô como um “Autômato, geralmente metálico, com forma ou estrutura semelhantes ás do corpo humano”

Entretanto, a Robot Industries Association (RIA) criou a seguinte definição para ajudar a identificar máquinas que podem ser classificadas como robôs industriais: um robô é uma máquina reprogramável e multifuncional 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; BOLMSJÖ, 2005).

Os robôs são classificados de diversas maneiras. Uma dessas classificações está associada ao sistema de coordenadas de referência do robô que pode ser fixa, Figuras 4(a) e 4(b), ou móvel, Figuras 4(c) e 4(d). Outra classificação, é quanto à cadeia cinemática do robô que pode ser do tipo série, Figura 4(a), ou paralela, Figura 4(b), ou ainda mista, Figura 4(d) (ROMANO, 2002).

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FIGURA 4- Principais categorias de robôs: robôs industriais em (a) e (b), veículo autoguiado ou AGV em (c) e robô humanoide em (d)

2.1 Robôs Industriais

Os robôs mais empregados nas indústrias possuem

sistema de coordenadas de referência fixo e cadeia cinemática do tipo série. Entre estes se destacam o de estrutura cinemática antropomórfica com seis juntas rotacionais, Figura 5(a), e o de estrutura cinemática cartesiana com três juntas prismáticas, Figura 5(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 do

(a) (b)

(c) (d)

23 robô cartesiano. Como desvantagem, a obtenção da cinemática de posição e de velocidade do robô antropomórfico e a própria programação são mais complexas devido à existência de redundâncias e singularidades em posições 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 5 - Robôs industriais, em (a) o antropomórfico de 6 DOF e em (b) o cartesiano de 3 DOF. Fonte: Adaptado de FANUC (a) e EPSON (b) (2011)

Basicamente, um robô industrial é formado por três partes:

o braço mecânico, o painel eletroeletrônico e o terminal de programação conforme mostra a Figura 5(a). O braço mecânico é constituído pela ferramenta fixa em seu flange e a cadeia de elos e juntas, prismáticas ou rotacionais, acionadas por atuadores que podem ser do tipo elétrico ou pneumático ou hidráulico. Além disso, há em cada junta o sistema de transmissão de movimento e os sensores que informam ao controlador do robô a posição (encoders), a posição zero (homes) e os limites ou fins de curso. No painel eletroeletrônico encontram-se os drivers de acionamento dos atuadores da ferramenta e de cada junta, as fontes de energia para alimentação dos drivers, os circuitos de intertravamento, as interfaces de condicionamento de sinais e o controlador do robô.

24 Na interface de programação (teach pendant) o operador do robô elabora o programa de execução de uma determinada tarefa. Inicialmente ele define os pontos da trajetória da ferramenta sobre a peça por meio do acionamento individual de cada junta ou seguindo os movimentos de translação ou de rotação em relação ao sistema de coordenadas fixo do robô ou da ferramenta. A seguir ou juntamente com a determinação dos pontos, o operador define os outros parâmetros da trajetória, tais como: acionamento ou desligamento da ferramenta, velocidade da ferramenta, tempo de espera, etc. Por fim, o operador executa o referido programa passo a passo e, se estiver correto, passa a sua execução de forma contínua via o painel eletroeletrônico.

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 da respectiva servo válvula torna essa tecnologia usável apenas em situações onde não é possível sua substituição por atuadores elétricos ou pneumáticos, tais como: necessidade de alto torque para manipulação de cargas pesadas e em manutenções em linhas de dutos submersas no mar. Os atuadores pneumáticos, apesar de possuírem a vantagem da 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 somente nas posições de fim de curso. De forma geral, os atuadores elétricos e seus respectivos componentes de acionamento apresentam a melhor solução do ponto de vista da relação custo/benefício (ROMANO, 2002).

2.2 Tecnologias de Controle Elétrico de Robôs Indus triais

O desempenho dinâmico de uma determinada junta,

rotacional ou prismática, em máquinas automatizadas depende das características de todos os elementos que compõem os sistemas de controle de movimento: em malha aberta, Figura 6(a) ou malha fechada com um custo mais alto, Figura 6(b) (OGATA, 2003, BONACORSO, N.G.; NOLL, V.; GEVAERD, 2008).

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FIGURA 6 - Elementos do controle de movimento em malha aberta (a) e em malha fechada (b)

Tradicionalmente, o sistema de controle de posição

usado em cada junta dos robôs industriais é o de malha fechada, Figura 6(b), onde o motor passa a se chamar de servomotor por incorporar um sensor de posição e de velocidade em seu eixo. Esta malha fechada de posição pode-se estabelecer de duas formas. A primeira forma é pelo próprio driver, que passa a se chamar de servodriver, assumindo a função de controle dos movimentos do motor, Figura 7(a). Neste caso, o controlador apenas fornece os valores de referência, ou seja, os comandos de posição e de velocidade. A segunda forma, pelo controlador, é a mais clássica, onde o driver tem apenas a função de amplificador de potência, Figura 7(b). Em ambos os casos os custos são mais elevados e as instalações mais complexas do que o controle de posição em malha aberta, Figura 6(a) (PARKER, 2003).

(a)

Comando CARGA MOTOR DRIVER

Perturbações FONTER

P C / C L P

SERVOMOTOR (b)

Comando CARGA MOTOR DRIVER CONTROLADOR

SENSORRGA

Perturbações FONTER

P C / C L P

26

FIGURA 7 - Formas tradicionais de estabelecer a realimentação: pelo servodriver em (a) e pelo controlador em (b)

Além das formas tradicionais de estabelecer a

realimentação, existem outras formas de integrar os elementos do sistema de controle. Com o objetivo de reduzir o volume e a quantidade de cabos de conexão o servodriver foi integrado ao servomotor resultando em apenas um componente chamado agora de servoacionamento, Figura 8(a) (APPLIED MOTION, 2006). A desvantagem é o alto custo da substituição do servoacionamento inteiro quando falhar apenas um de seus componentes eletrônicos.

Outra inovação nesta área de acionamento é a integração de um controlador lógico programável interno (CLPi) ao servodriver, Figura 8(b). Esta integração proporciona a independência do servodriver no que diz respeito à necessidade de um PC ou CLP externo para fornecer os sinais de comando de posição e de velocidade para a execução de uma determinada trajetória de ferramenta. Seu CLPi possui entradas e saídas digitais e analógicas que permitem estabelecer a lógica de programação de cada servodriver para o acionamento de uma máquina automática simples com tarefas bem definidas (APPLIED MOTION, 2010).

(b)

CONTROLADOR

Erro = Comando - Resposta

Resposta -

Comando +

CARGA MOTOR DRIVER COMPENSADOR

SENSORRGA

Perturbações FONTER

P C / C L P

(a)

SERVODRIVER: DRIVER+CONTROLADOR

Erro = Comando - Resposta

Resposta -

Comando +

CARGA MOTOR DRIVER COMPENSADOR

SENSOR

Perturbações FONTEP C / C L P

27

FIGURA 8 - Tipos de integração: servodriver ao servomotor em (a) e CLP ao servodriver em (b)

O tipo de sistema de controle de posição e velocidade,

com ou sem realimentação, a ser instalado em uma máquina automática é selecionado em função das necessidades do acionamento de sua carga ou ferramenta, tais como: torque, aceleração e velocidade. Na prática, existem muitas situações que são perfeitamente atendidas com o acionamento de motor de passo em malha aberta (LANDER, 1996). Além disso, os motores de passo são os únicos tipos de atuadores elétricos com a capacidade de operar em malha aberta com erro de posição nulo (STEPHAN, 2008).

Levando em consideração as características citadas anteriormente, optou-se, neste trabalho, em utilizar o acionamento em malha aberta dos eixos cartesianos do robô Sankyo via atuadores elétricos. Para a tarefa de executar furos, com brocas de pequeno diâmetro em peças metálicas, foi selecionada e fixada no flange do robô uma furadeira pneumática. Este atuador, além de proporcionar alta rotação, é mais compacto que os elétricos de mesma potência.

(a)

Perturbações

SERVOACIONAMENTO : SERVOMOTOR + SERVODRIVER

Erro = Comando - Resposta

Resposta -

Comando +

DRIVER COMPENSADOR

SENSOR

FONTEP C / C L P

MOTOR CARGA

(b) Entradas/Saídas Digitais e Analógicas

SERVODRIVER + CLP INTERNO

Erro = Comando - Resposta

- Resposta

Comandos + +

DRIVER COMPENSADOR

SENSOR

Perturbações FONTER

P C / C L P e

CLP i

MOTOR CARGA

28

2.3 Tecnologias de Acionamento para Motores de Pass o O funcionamento de um motor de passo é baseado no

princípio básico da atração e repulsão magnética entre os campos magnéticos do estator e o do rotor. Este tipo de motor é comandado de forma digital, convertendo pulsos digitais de comando em correntes elétricas nas bobinas do estator. Por sua vez, essas correntes elétricas criam um campo magnético que ao interagir com o campo magnético do rotor, produzem o movimento rotativo do rotor.

Existem três tipos principais de motores de passo: o de magneto permanente (PM), o de relutância variável (VR) e o híbrido. A diferença entre eles está na forma construtiva do rotor. O rotor do motor PM é constituído por diversos polos de ímã permanente, Figura 9(a). O rotor do VR possui a forma de uma engrenagem de material ferromagnético, Figura 9(b). Já o rotor do motor de passo híbrido é formado por apenas um ímã, central ao eixo, com formato toroidal e duas engrenagens ferromagnéticas de cada lado do ímã. Os dentes dessas engrenagens são defasados formando diversos polos magnéticos, Figura 9(c).

(a) (b) (c)

FIGURA 9 - Formas construtivas do rotor dos principais tipos de motores de

passo: PM em (a), VR em (b) e híbrido em (c)

O motor de passo PM tem como vantagens o baixo custo e um torque superior ao do motor de VR, entretanto, sua construção não permite uma quantidade grande de polos magnéticos no rotor resultando em um valor de resolução

29 angular muito grande. O rotor do motor de passo do tipo VR é construído com muitos dentes com o objetivo de se obter um valor de resolução angular muito pequena, porém, seu baixo torque e por não possuir magneto permanente em seu rotor, limita esse dispositivo na maioria das aplicações industriais. O motor de passo do tipo híbrido agrega as vantagens dos motores de passo PM e VR, ou seja, o alto torque do PM e o baixo valor de resolução angular do VR sendo, de longe, o motor de passo mais utilizado nas aplicações industriais (PARKER, 2003).

A maioria dos motores híbridos é constituída por duas fases no estator, Figura 9(c), embora existam versões especiais de três e cinco fases. Uma recente inovação é o motor híbrido aperfeiçoado ou de alto torque, que utiliza magnetos que focam o fluxo magnético para proporcionar uma melhora significativa na sua curva torque versus velocidade (APPLIED MOTION, 2008).

Com base nas características citadas anteriormente, optou-se neste trabalho em utilizar o motor de passo do tipo híbrido de alto torque com duas fases, F1 e F2, para acionar os eixos cartesianos do robô Sankyo. Todo o processo de comutação das correntes elétricas nas bobinas destas duas fases e conseqüente movimento angular do eixo do motor é realizado externamente ao motor pelo driver de potência, Figura 10, de acordo com os sinais de comando de entrada.

FIGURA 10 - Características fundamentais do driver de motor de passo Há vários padrões de sinais de comando, sendo que, o

padrão que usa dois sinais digitais, passo e direção (step/dir), é o mais empregado industrialmente. Neste padrão, o nível do sinal de comando digital dir determina o sentido de giro, horário ou anti-horário, e a cada pulso do sinal de comando digital step é realizado um incremento angular do eixo do motor. Este valor incremental ou passo angular é parametrizado no driver pelo

pronto

F1

F2

direção

i2

i1

+ Vs -

passo COMANDOS

D R I V E R

P C / C L P PROTEÇÃO

MOTOR

DE

PASSO

FONTE

30 usuário. Sendo assim, qualquer deslocamento angular do rotor é igual a um número inteiro de passos angulares ou de pulsos do comando step e a velocidade de rotação deste rotor é diretamente proporcional à freqüência deste comando (AVOLIO, 2004).

Os motores de passo do tipo híbrido podem ser acionados impondo em seus enrolamentos tensão ou corrente e, ainda a corrente em seus enrolamentos pode ser, unipolar, apenas em um sentido, ou em ambos os sentidos, bipolar. Os drivers que possuem a tecnologia de acionamento bipolar impondo corrente comparado com os outros três tipos de tecnologia de acionamento (tensão unipolar, tensão bipolar e corrente unipolar) possibilita ao motor de passo híbrido um funcionamento com torque mais elevado em uma maior faixa de velocidade (SAX, 1995).

Outra característica fundamental e necessária em equipamentos que operam com mais de um eixo, caso típico de robôs, é a presença do sinal digital de saída chamado de pronto ou rdy, Figura 10, nos respectivos drivers. Este sinal de proteção evita danos nas peças a serem fabricadas e/ou nas ferramentas das máquinas automatizadas quando um ou mais eixo deixam de operar por problemas operacionais nos drivers, tais como: sobre temperatura, sobre ou subtensão de alimentação e circuito aberto ou curto-circuito nos motores de passo (BONACORSO, N.G., NOLL, V., GEVAERD, 2008).

Consideração às características supracitadas optou-se, neste trabalho, em utilizar para o acionamento dos motores de passo híbridos dos eixos do robô Sankyo drivers bipolares em corrente com padrão de sinal de comando step/dir e sinal digital de saída rdy para ser utilizado no respectivo circuito lógico de proteção.

2.4 Tecnologias de Geração de Comandos para Eixos

É indispensável um excelente gerador de comando

simultâneo para todos os eixos de um robô industrial, posto que falhas na execução da trajetória da ferramenta interferem diretamente sobre a qualidade da tarefa. Geralmente, os geradores de comando comerciais são placas eletrônicas fixadas em barramentos internos de microcomputadores convencionais como a placa NI 7344 da National Instruments e a placa DMC-

31 1842 da Galil Motion Control (NATIONAL INSTRUMENTS, 2008; GALIL MOTION CONTROL, 2008). Ambas as placas tornam factível a geração dos comandos para robôs com até quatro graus de liberdade. Porém, estas placas possuem elevado custo de aquisição, girando na ordem de US$ 3000,00.

Devido ao elevado custo de placas comerciais e com o objetivo de adotar um gerador de comandos baseado em microcomputador, partiu-se para o estudo da tecnologia CNC (Cumputer Numeric Control). Atualmente existe uma extensa variedade de controladores CNC que geram sinais de comando para drivers, distinguindo-se entre sistemas de grande complexidade e custo elevado, e outros mais simples e com baixo custo.

Ao se tratar da implantação de controladores CNC em máquinas especiais, na maioria dos casos, é vantajoso o emprego dos controladores mais simples e com baixo custo. Isto ocorre fundamentalmente porque sistemas com menor custo possuem flexibilidade para a reprogramação de algumas funções. Fato este que não ocorre em sistemas mais complexos, posto que em geral são softwares de arquiteturas fechadas, não possibilitando desta forma a configuração de parâmetros fundamentais para o correto funcionamento de um equipamento desenvolvido.

Inicialmente os softwares simples e com baixo custo, interessavam principalmente a pessoas que fabricavam máquinas CNC apenas por hobby. Com o passar do tempo e significativa evolução destes sistemas, os mesmos tornaram-se muito procurados pela indústria. Neste campo da automação para a manufatura, os programas computacionais mais difundidos e com melhores resultados são o DeskCNC (CARKEN CO, 2008) e o Mach3 (ART SOFT, 2009).

O DeskCNC é um pacote que engloba um hardware, Figura 11, que se comunica com o microcomputador por intermédio da porta serial. Operando em conjunto com o referido hardware, há um software, Figura 12, que possibilita utilizar o próprio teclado do computador para deslocar até quatro eixos de um robô, facilitando assim as definições de trajetórias. Outro atrativo é o fato de converter arquivos de formatos variados (DXF, STL, Gerber) para código G. Assim, é factível criar trajetórias em diferentes programas, as quais serão transformadas para linguagem G automaticamente.

32

FIGURA 11 - Placa eletrônica DeskCNC com dimensões: 50 mm x 62 mm

FIGURA 12 - Tela de comando do programa DeskCNC

Na Figura 12, tem-se na parte superior a barra com as opções de parametrização do software, além do campo MDI e acionamento das saídas digitais: Mist, Flood, CW, CCW, AUX1, AUX2 e AUX3. Na parte central a trajetória de corte interna e a externa a ser percorrida pela ferramenta. Na parte inferior é

33 apresentado o respectivo programa em código G, o qual pode ser editado. Os controles de deslocamento manual dos eixos, bem como a posição atual, botão de pausa e parada de emergência são vistos na parte superior direita.

Mesmo com as vantagens do DeskCNC, cada vez mais a indústria necessita de ferramentas flexíveis, com possibilidade de adaptação a diferentes tarefas. Tal fato é relevante, pois assim se evita gastos com aquisições de novos sistemas, além de redução no treinamento dos operadores. Nesta direção, o controlador CNC Mach3 desponta como uma excelente opção de gerador de comandos de baixo custo para fresadoras, tornos e robôs com até 6 juntas, sendo 3 prismáticas e 3 rotacionais.

A primeira grande vantagem é a possibilidade de não se utilizar uma placa eletrônica externa e sim os próprios sinais de entrada e de saída da porta paralela do microcomputador para aplicações que utilizam frequência de até 100 kHz para o sinal de step. A segunda vantagem do Mach3 é o fato de ser um software livre para programas com até 500 linhas de código G. Logo, é possível um estudo preliminar de suas funcionalidades sem que haja necessidade de aquisição do programa. O custo da versão completa é de US$ 159,00, o que o torna bem acessível. Outra vantagem ao uso do Mach3 é a grande rede de comunicação existente entre os usuários do sistema pelo mundo. Os diversos fóruns e grupos de pesquisa garantem uma excelente base de suporte, o que proporciona maior eficiência e dinamismo para o desenvolvimento de novas aplicações e funcionalidades.

A tela principal do programa do controlador Mach3 possui vários campos para configuração e comandos de funções, Figura 13. Na região superior esquerda visualiza-se o programa em código G relativo às trajetórias de movimento. Essas trajetórias de movimento são apresentadas na região superior direita dessa tela principal. Já na posição superior central da tela principal encontram-se as posições correntes dos eixos, bem como a opção de referenciar os eixos X, Y e Z. As opções de leitura, edição, partida e parada de execução do programa em código G, entre outros, é acessado na região inferior esquerda da tela principal. A velocidade de avanço da ferramenta pode ser alterada no transcorrer da execução de uma trajetória no campo denominado Feed Rate da tela principal e a rotação em rpm do eixo árvore pode ser visualizada e modificada no campo Spindle Speed.

34

FIGURA 13 - Tela principal do programa Mach3

2.5 Rigidez Mecânica no Processo de Usinagem

O conceito de rigidez mecânica pode ser divida em estática e dinâmica, ambas são mensuradas através da razão entre a força aplicada e a deformação causada pela força conforme equação 1, entretanto a rigidez dinâmica é mensurada em função da frequência conforme equação 2 (STOETERAU,2004)

d

FK = (1)

( ) ( )( )wd

wFwK = (2)

Onde: K = rigidez F = força aplicada d = deslocamentos w = frequência

35

As forças envolvidas no processo de usinagem podem ser divididas em força de corte, força de avanço e força passiva (STOETERAU,2004), sendo que destas, a força de avanço é a que produz maior prejuízo a rigidez do sistema.

Diversos autores tem buscado expressar de forma matemática a força de avanço na furação, e todos levam em consideração três fatores básicos: diâmetro da broca, a velocidade de avanço e o material a ser furado, sendo a equação 3 uma das equações apresentadas para o cálculo da força de avanço para a furação em cheio (Diniz, 1985).

yx aDCFf **4=

(3)

Sendo que: Ff = força de avanço em (kgf) C4 = constante do material D = diâmetro da broca (mm) a = avanço por volta (mm/volta) x,y = expoentes experimentais

36

3 DESCRIÇÃO DO RETROFITTING A execução da readequação tecnológica do robô Sankyo

foi realizada em quatro fases: projeto, fabricação, montagem e análise dos resultados.

As informações técnicas contidas no manual do equipamento foi o ponto de partida. As especificações mais importantes obtidas neste manual, além das apresentadas na Tabela 1, foram: transmissão do movimento por fuso com passo de 20 mm nos eixos X e Y e passo de 10 mm no eixo Z, acoplamento dos servomotores de corrente alternada aos fusos via polia e correia dentada com redução de 1:1 nos eixos X e Y e redução de 1,5:1 no eixo Z e a presença de freio eletromagnético no eixo Z para evitar impacto entre a ferramenta e a peça quando for interrompida a energia elétrica para o robô (Sankyo Roboticts, 2001).

Além das informações contidas no manual do robô Sankyo foi levado em consideração também as especificações da empresa contratante que pretende aplicar este equipamento, após sua readequação, no processo de furação robotizado de componentes eletromecânicos. São elas: uso de componentes padronizados e de baixo custo, fácil operação e manutenção, utilização de furadeira pneumática como ferramenta do robô, segurança do operador e do próprio robô, posto de trabalho ergonomicamente correto, alta disponibilidade para produção, resolução de posicionamento linear menor que 0,03 mm, capacidade de carga máxima maior que 20 kg e custo meta de R$ 8.000,00 para realizar todo o retrofitting.

O início da etapa conceitual ocorreu no capítulo de fundamentação teórica desta dissertação onde uma concepção foi escolhida baseada nas características das tecnologias existentes para a readequação de cada parte do robô Sankyo. A Figura 14 mostra o diagrama funcional desta concepção que utiliza tecnologia de acionamento em malha aberta por motor de passo com alto torque e o controlador CNC Mach3 como gerador de comandos para o robô.

38

FIGURA 14 - Diagrama de blocos funcional da concepção escolhida para o

robô A seguir, são definidos os componentes e os

procedimentos usados em cada um dos subsistemas do robô: mecânico, eletroeletrônico e o de parametrização do equipamento.

3.1 Readequação do sistema mecânico

Para melhorar a aparência do robô, as carenagens de aço

foram removidas, jateadas com granalha e pintadas com tinta sintética automotiva. Nesta etapa inicial, todos os parafusos fixadores do robô foram removidos. Os oxidados foram substituídos por novos da mesma bitola com o objetivo de facilitar um futuro serviço de manutenção no robô.

Os sistemas mecânicos de conversão de movimento dos eixos do robô, embora estivessem em bom estado de conservação apresentavam grande quantidade de resíduos e de lubrificante envelhecido na forma sólida, conforme mostra a Figura 15(a). Para solucionar esse problema, que é extremamente prejudicial ao robô, foram desmontados os três sistemas mecânicos de conversão de movimento e uma limpeza a base de óleo diesel comercial foi executada. Na sequência, os sistemas mecânicos foram lubrificados com graxa lubrificante a base de Lítio e montados, Figura 15(b).

39

(a) (b)

FIGURA 15 - Condições do eixo X antes da limpeza e lubricação em (a) e depois em (b)

A seguir, os antigos servomotores CA da Sankyo, Figura

16, foram removidos e substituídos por motores de passo de alto torque com características dimensionais semelhantes. O flange padrão de motores elétricos NEMA 23 foi o que mais se aproximou do flange dos servomotores CA e também foi o maior flange padrão cabível no espaço reservado no robô para os motores, Figura 15(b).

FIGURA 16 – Oxidação no servomotor CA do eixo Z do robô Sankyo

40

O fabricante Applied Motion possibilita mais flexibilidade de escolha por oferecer oito tipos diferentes de motores de passo de alto torque com flange NEMA 23. Cada um destes tipos ainda possui três opções de comprimento de motor, conforme mostra a Figura 17. O motor de passo de alto torque modelo HT23-401 da Applied Motion, posição esquerda da Figura 17, foi escolhido para acionar os três eixos do robô por apresentar maior torque entre todos os vinte e quatros modelos disponíveis pelo fabricante e seu comprimento cabível nos três espaços reservados no robô para os motores.

FIGURA 17 - Motores de passo alto torque modelo: HT23-401 na esquerda, HT23-398 no centro e HT23-394 na direita. Fonte: adaptado Applied Motion

Devido à substituição dos motores, houve

incompatibilidade nos pontos de fixação dos motores de passo na estrutura do robô. Assim, foram projetados flanges de alumínio, em ambiente CAD (Computer Aided Design) por meio do software SolidWorks®, para adaptar a fixação dos mesmos na estrutura mecânica do robô. A manufatura destes flanges foi executada em um centro de usinagem CNC, a partir do código G gerado em ambiente CAM (Computer Aided Manufacturing) por meio do software Edgecam®. A concepção mecânica renderizada em CAD e a peça em ambiente CAM podem ser visualizadas na Figura 18.

41

(a) (b)

FIGURA 18 - A concepção mecânica renderizada em ambiente CAD (a) e ambiente CAM (b)

Além disso, foi necessário construir uma peça de fixação

em nylon, Figura 19(a), para a furadeira pneumática reta, Figura 19(b). Esta furadeira possui uma rotação nominal de 2.500 rpm e pode fixar brocas em seu mandril até 3/8”.

(a) (b) FIGURA 19 - Ferramenta de furação usada: peça de fixação em (a) e a furadeira pneumática em (b). fonte: adaptado: Chigago pneumactic(b)

Com o objetivo de aumentar o torque nos eixos do robô

para compensar a perda natural de torque do motor de passo em função do aumento de sua velocidade e, ainda atender à especificação de resolução linear, menor que 0,03 mm, da empresa contratante foram definidas novas relações de transmissão dos motores para os fusos. Nos eixos X e Y, foram

42 utilizadas relações de transmissão de 2:1, polias motoras com 22 dentes e polias movidas com 44 dentes, e no eixo Z foi usada uma relação de transmissão de 1:1 com 28 dentes em ambas as polias.

Após estas mudanças, as resoluções lineares dos eixos ficaram idênticas e iguais a 0,025 mm considerando os motores operando no modo meio passo (400 passos por volta). A fim de garantir uma perfeita fixação das polias sobre seus respectivos eixos foram utilizadas buchas de expansão. As três correias existentes de fabricação estrangeira, modelo S3M369 da Figura 20(a), foram também substituídas pelo modelo similar nacional padronizado, 3M-A da Figura 20(b).

(a)

(b)

FIGURA 20 - Modelos de correias do robô Sankyo, em (a) as antigas e em (b) as atuais. fonte: adaptado Mitsuboshi (a) Optibelt (b)

3.2 Readequação do sistema eletroeletrônico

Entre vários drivers existentes no mercado com

capacidade de corrente suficiente para o acionamento dos motores HT23-401 foi selecionado o driver STR8, Figura 21, também do fabricante Applied Motion. O principal motivo que levou a esta escolha foi que o driver STR8 aperfeiçoa, via uma chave de seleção conectada ao seu DSP, o acionamento de

43 doze modelos de motor de passo onde, o modelo HT23-401 é um deles. Além disso, este driver possui um sistema de suavização de passos, smooth step, que usa o acionamento em micro passos para minimizar as vibrações mecânicas causadas nas transições de cada passo inteiro (APPLIE MOTION, 2010).

FIGURA 21 - Driver de motor de passo selecionado

A possibilidade de operar com tensão alta de barramento,

até 75 V, é outra importante característica deste driver que melhora a qualidade da curva torque versus velocidade do motor de passo como pode ser observado na Figura 22. Nesta figura, se verifica um incremento de 100% do torque do motor de passo modelo HT23-401 na velocidade de 15 rps quando a tensão de alimentação do driver é substituída de 24 V para 48 V.

44

FIGURA 22 - Curva torque x velocidade do motor HT23-401 com tensão: 24

V em (A) e 48 V em (B)

45

Do ponto de vista econômico esta solução, driver STR8 mais motor HT23-401, é a que possui o menor custo: R$ 581,00 por eixo. Soluções de baixo custo com outras tecnologias de acionamento de eixos foram pesquisadas. A solução usando servomotor DC com escovas mais servodriver tem um custo de R$ 1.205,00, por eixo enquanto que a solução servomotor CA mais servodriver por eixo possui um custo de R$ 2.171,00.

O painel antigo do equipamento, Figura 2(b), foi todo substituído, como mostra a Figura 23, deixando de usar os componentes da marca Sankyo para utilizar componentes padronizados e comerciais. O sistema eletroeletrônico é formado pelo computador portando o controlador CNC Mach3, pela placa de interface de sinais da porta paralela do PC e pelos circuitos de potência, de intertravamento e os de sinais.

FIGURA 23 - Painel eletroeletrônico: (a) as conexões com o PC e com a

alimentação, (b) a placa de interface, (c) os drivers dos motores, (d) a placa com os relés de intertravamento, (e) os conectores dos motores e sinais de

homes e em (f) os botões de comando A Figura 24 mostra o diagrama de blocos do circuito

elétrico de potência desenvolvido para energizar o sistema

46 eletroeletrônico do robô. A placa de interface de sinais e a fonte de 24 V, que alimenta o circuito lógico de intertravamento, são ligadas diretamente na rede alternada de 220Vca enquanto que os drivers dos eixos X, Y e Z são alimentados por uma fonte auxiliar de 67Vcc / 6A. Esta fonte auxiliar é constituída por um transformador abaixador de 220Vca / 48Vca - 6A, uma ponte retificadora e o capacitor de filtragem e, é ligada pelo contato normal aberto K pertencente a contactora do circuito lógico de intertravamento, Figura 24.

FIGURA 24 - Diagrama elétrico do circuito de potência

O circuito de intertravamento foi desenvolvido com a

função de assegurar o bom funcionamento do robô. Caso ocorra uma falha em um dos drivers por (sobrecarga, sub tensão, sobre tensão, aquecimento excessivo) ou uma queda de pressão na alimentação da ferramenta pneumática ou o programa do controlador CNC pare de funcionar ou ainda o usuário pressione o botão de parada de emergência, este circuito aciona o freio do eixo Z e interrompe a alimentação dos drivers do equipamento, evitando que ocorram possíveis danos ao robô, ferramenta e ao operador. Este circuito é formado pela contactora K e por diversos contatos de relés, que são ligados, conforme mostra a Figura 25, e acionados quando os componentes essenciais para o funcionamento do robô estão em perfeito funcionamento.

47

FIGURA 25 - Circuito elétrico de intertravamento

Quando for pressionado o botão de ligar ON, o circuito

entra em auto-retenção, energiza os drivers por meio do contato normal aberto K da contactora, Figura 24. Não havendo problemas na alimentação de ar comprimido, no programa do controlador CNC e nos drivers e seus respectivos motores os contatos normais abertos P, RM, RX, RY e RZ são comutados. Assim, o freio do eixo Z é liberado e o led verde é energizado sinalizando ao operador que o robô está pronto para executar tarefas programadas e que o mesmo pode liberar o botão ON.

Quando o botão impulso de desligar OFF ou o botão de parada de emergência PE forem acionados ou uma falha ocorra na alimentação de ar comprimido ou nos drivers ou ainda no controlador CNC o circuito sai da situação de auto-retenção interrompendo a alimentação dos drivers, acionando o freio do eixo Z e desligando o led verde de sinalização.

Os sensores de posição, encoders, do antigo sistema de controle de movimento dos eixos do robô Sankyo eram do tipo absoluto não possuindo, desta forma, sensores de home específico. Na situação atual, foi construído um circuito de home por eixo, Figura 26(a), para referenciar o robô no início de cada período de trabalho. Os sinais de saída destes circuitos, sinais de home, são enviados ao programa do controlador CNC através da placa de interface. Cada um destes circuitos é constituído por uma chave opto eletrônica, Figura 26(b), que detecta a presença

48 do eixo na posição zero. Esta chave é ativada por uma pequena chapa metálica, presa na parte móvel de cada eixo, que interrompe o feixe de luz.

(a) (b)

FIGURA 26 - Homes dos eixos: circuito eletrônico em (a) e o sensor em (b) Uma interface específica de condicionamento de sinais

entre o controlador CNC Mach3 e os circuitos eletrônicos do robô foi utilizada com o objetivo de isolar e adequar os sinais digitais de entrada e de saída da porta paralela do PC. Entre vários fabricantes pesquisados a interface 4AXRL da empresa CNCBR, Figura 27, foi a que apresentou a melhor relação entre custo e benefício.

FIGURA 27 - Placa de interface de sinais 4AXRL: (a) alimentação em 220

Vac, (b) conexão DB25 com o PC, (c) 4 saídas à relé, (d) 8 saídas de comando e (e) 5 entradas de sinais

Esta placa de interface ainda reconhece o sinal digital de presença do programa Mach3 (onda quadrada de frequência 12

49 kHz) e, por meio do contato normal aberto de seu respectivo relé, RM, entra na lógica de intertravamento do robô, Figura 25. Além disso, todos os 17 sinais usados da porta paralela do PC, conforme mostra a Tabela 2, são sinalizados por esta interface que conta ainda com uma saída regulada de 12V / 1A para alimentar os circuitos de homes dos eixos e o ventilador do gabinete.

TABELA 2 - Sinais usados pelo controlador CNC Mach3

Pinos da Porta Paralela do PC

Tipo de Sinal Função no Robô

1 Saída Ferramenta

2 Saída Step X

3 Saída Dir X

4 Saída Step Y

5 Saída Dir Y

6 Saída Step Z

7 Saída Dir Z

8 Saída Periférico

9 Saída Periférico

10 Entrada Periférico

11 Entrada Home X

12 Entrada Home Y

13 Entrada Home Z

14 Saída Periférico

15 Entrada Periférico

16 Saída Periférico

17 Saída Presença Mach3

18 a 25 Referência GND

Inicialmente, foram configurados todos os sinais de entrada

e saída do controlador CNC e depois os parâmetros do programa de acordo com as características mecânicas de cada eixo do robô, tais como: número de passos por milímetro, aceleração e velocidade máxima dos três eixos.

50

3.3 Adequação do Controlador CNC Para instalar o software de controle CNC Mach3 é

necessário um PC que opere no padrão de 32 bits com o sistema operacional Windows 2000 ou Windows XP ou Windows Vista 32 bits. Seu fabricante recomenda pelo menos um processador de 1GHz com um monitor com definição de tela de 1024x768 pixels.

A grande vantagem do controlador CNC Mach3 é o fato de não necessitar de um hardware adicional para o comando de máquinas automáticas, posto que utiliza a porta paralela do microcomputador. Assim, foi utilizada apenas a plataforma básica do Mach3, para configurar todos os seus sinais de entrada e saída, Tabela 2.

A primeira configuração do controlador CNC Mach3 refere-se à porta de comunicação e a máxima frequência de transmissão que o software utilizará no comando dos drivers dos motores de passo, step e dir, e nos outros sinais de entrada e de saída. Nesta configuração, Figura 28, foi determinada a utilização da porta paralela número 1 e uma frequência de comunicação de 25 kHz.

FIGURA 28 - Configuração da comunicação do Mach3

Após a definição dos parâmetros referentes à porta de

comunicação são configurados os pinos da porta paralela. O Mach3 proporciona a programação de 5 sinais de entrada e 12 sinais de saída, tomando como base apenas 1 porta paralela.

51 Tais sinais digitais possuem padrão TTL e podem ser utilizados, tanto para a lógica de acionamento do robô, como para o controle de direção, velocidade e posição dos motores de passo.

A função destinada a cada pino é facilmente estipulada por meio de uma interface simples e intuitiva. O ponto de partida para a programação é habilitar o sinal desejado. A seguir determina-se qual porta será usada. Posteriormente, seleciona-se o pino responsável pelo sinal e se o mesmo é ativo em nível alto ou baixo, como mostra a Figura 29. Nesta tela de configuração, determinou-se que o driver do motor de passo do eixo X recebe respectivamente os sinais de step e dir pelos pinos 2 e 3 da porta paralela 1. Ambos os sinais são ativos em nível alto.

FIGURA 29 - Configuração dos sinais de comando dos drivers dos eixos

X,Y e Z O Mach3 possibilita a programação de uma série de sinais

de entrada, os quais estão relacionados principalmente com a busca da origem dos eixos do robô, sinais de homes dos eixos. Ao ligar o robô, obrigatoriamente, a rotina de home deve ser executada para buscar a posição zero de cada eixo. Após este procedimento automático, o robô está apto a executar a programação relacionada a tarefa. A Figura 30 ilustra que os sinais de homes dos eixos X, Y e Z foram configurados para serem acionados em nível baixo respectivamente pelos pinos de entrada 11,12 e 13 da porta paralela 1. Os pinos de entrada 10 e 15 desta porta paralela foram também configurados, Figura 31,

52 como sinais de entrada para receber informações de um possível sensor e/ou sinal de saída de um equipamento periférico.

FIGURA 30 - Configuração dos sinais de homes dos eixos do robô

FIGURA 31- Configuração dos sinais de entrada do controlador CNC para

uso futuro Posteriormente, foram configurados os sinais de saída do

Mach3 como mostra a Figura 32. O primeiro deles, Charge Pump configurado no pino 17, estabelece o reconhecimento do funcionamento do controlador CNC Mach3 evitando desta forma que outro programa acione o robô. Este reconhecimento é realizado pela placa de interface que ao receber neste pino uma

53 onda quadrada de frequência de 12 kHz do controlador Mach3 aciona o contato normal aberto RM do circuito de intertravamento, Figura 25.

O segundo sinal de saída, Output #1, é utilizado para o acionamento da furadeira pneumática via eletroválvula direcional enquanto que os demais (Output #2, Output #3 e Output #4) são utilizados para acionar possíveis atuadores e/ou entradas de equipamentos periféricos.

FIGURA 32 - Configuração dos sinais de saída do Controlador CNC

Na readequação do robô Sankyo foi considerado a

utilização de apenas uma porta paralela. Nesta configuração, apenas 2 entradas e 4 saídas do controlador não estão sendo utilizadas e foram disponibilizada para uso, como entradas/saídas de um CLP para executar lógica de dispositivos externos em futuras aplicações. Entretanto, na necessidade de ampliar ainda o número de entradas e de saídas do robô, existe a opção de serem adicionadas portas sobressalentes.

O programa Mach3 proporciona ainda a configuração de um perfil de velocidades para os motores de forma trapezoidal conforme mostra a Figura 33. Nesta tela é fornecido inicialmente para cada eixo do robô, a relação de quantidade de passos necessários para um deslocamento linear de 1 mm. Como todos os eixos possuem a mesma resolução de 0,025 mm está relação é de 40 passos por milímetro.

54

FIGURA 33 - Parâmetros do perfil trapezoidal de velocidade dos eixos do

robô A seguir, é necessário informar ao programa Mach3 a

velocidade máxima dos eixos do robô. Este parâmetro é determinado pela velocidade máxima possível de operação dos motores nas condições nominais de operação. No robô foi possível aplicar com sucesso uma velocidade de 3 krpm em todos os motores de passo proporcionando uma velocidade de deslocamento linear nos eixos de 500 mm/s ou 30.000 mm/min.

Na sequência, foi determinado o valor máximo de aceleração que permite realizar a variação máxima de velocidade dos eixos do robô. Para isso, iniciou os ensaios com um valor baixo de aceleração e, gradativamente, este parâmetro foi incrementando. Até o valor de 1800 mm/s2 não houve parada dos motores ou perda de passo dos motores durante as acelerações e desacelerações dos três eixos do robô.

Por último, foram ajustadas em 15 µs as durações dos pulsos de comando, step e dir, de cada eixo do robô. Este tipo de configuração é fundamental, uma vez que o tempo necessário para entendimento de um sinal de comando muda de acordo com cada driver e servodriver. Desta forma, o uso de circuitos adicionais de prolongamento de sinais, passa a ser dispensável, o que diminui a complexidade da eletrônica.

4 Resultados Experimentais Com a conclusão do processo de montagem e de

parametrização, conforme mostra a Figura 34, foi iniciado o processo de operação do robô Sankyo, a qual compreende as seguintes fases: pré-comissinamento, comissionamento, operação a vazio, operação com carga e operação assistida. Na fase de pré comissionamento foram realizados testes de continuidade e verificados os pontos de conexão do sistema eletromecânico enquanto que na fase de comissionamento foi verificado o funcionamento individual dos componentes de hardware e de software. A seguir, serão detalhados os ensaios e apresentados os resultados referentes aos processos de operação a vazio, com carga e o assistido.

FIGURA 34 - Robô Sankyo após o retrofitting

4.1 Operação a vazio

Na operação a vazio, todo o robô foi energizado e seu

funcionamento foi testado sem carga. Inicialmente foi avaliado a repetitividade dos sinais de home provenientes dos sensores ópticos. Para isso, foram realizadas diversas operações de referenciamento dos eixos do robô utilizando sempre a ferramenta verify de home do Mach3 para detectar a diferença de posicionamento entre duas operações de referenciamento

56 consecutivas. Como resultado, esta ferramenta do Mach3 não detectou diferenças na posição de home do robô Sankyo.

A seguir foi executado um programa em código G de 29.046 linhas referente à usinagem de um molde com operações de furação, desbaste e acabamento, Figura 35. Este ensaio a vazio foi repetido 32 vezes totalizando 22 horas de funcionamento do robô.

FIGURA 35 - Trajetórias de usinagem geradas no EdgeCam

No final de cada execução do programa foi verificado pela

ferramenta verify do home do Mach3, o erro de posicionamento devido às possíveis perdas de passo dos motores dos eixos X, Y e Z do robô. A maior diferença encontrada neste procedimento foi de 0,025 mm, que é equivalente à resolução dos eixos do robô ou a meio passo de deslocamento angular dos motores.

A tensão e a corrente elétrica de entrada dos drivers foram também verificadas durante a usinagem em vazio do molde com o objetivo de atestar o correto dimensionamento da fonte de alimentação dos motores do robô. A tensão elétrica média manteve-se em 65 Vcc com uma variação de ± 2 V, enquanto que, a corrente absorvida por cada driver variou entre 0,19 A e 0,66 A.

57

4.2 Operação com carga O processo de operação com carga contemplou

inicialmente o ensaio de furação de uma placa de aço SAE 1006/1008 retificada em ambos os lados com as seguintes dimensões 400x350x35 mm, conforme mostra a Figura 36. O objetivo deste ensaio é o de determinar as características de histerese, repetitividade, desvio sistemático e exatidão dos eixos X e Y do robô cartesiano, tendo em vista que eles serão os responsáveis pela garantia da qualidade dimensional das placas a serem furadas no processo fabricação.

FIGURA 36 - Placa de aço usinada para levantamento dos erros de posição

dos eixos X e Y Para o ensaio de avaliação metrológica dos eixos X e Y do

robô, foi utilizada uma broca de centro fabricada em aço rápido com diâmetro de 3,15 x 8,0 mm conforme DIN333A, com objetivo de reduzir o impacto na exatidão de deslocamento do robô.

A norma ISO 9283:1998, trata especificamente dos métodos e critérios de avaliação dos robôs manipuladores industriais, mas para efeito de estudo nesta dissertação foram utilizadas as normas NBR NM-ISO 230-1:1999 e 230-2:1999, em função da estrutura cartesiana do robô e também da tarefa de furação, que acaba por caracterizar uma atividade semelhante as exercidas por máquinas ferramentas em condições de acabamento.

58

As normas NBR NM-ISO 230-1:1999 e NBR NM-ISO 230-2:1999 servirão de referência para definição das posições a serem verificadas e também quanto à forma de avaliar os resultados estatísticos gerados pelo processo de tratamento das respectivas medições. Segundo a NBR NM-ISO 230-2:1999 para máquinas com eixos lineares de até 2 m deve ser realizado no mínimo 5 posições teóricas por metro ao longo do eixo. Para eixos menores que 1 m essa norma recomenda no mínimo 5 posições teóricas. Por sua vez, cada posição teórica deve ser alcançada 5 vezes em cada sentido, conforme mostra o ciclo do ensaio da Figura 37.

FIGURA 37 - Ciclo de ensaio padronizado, fonte: NBR NM-ISO 230-2:1999

Para a definição dos pontos a NBR NM-ISO 230-2:1999

recomenda a utilização da equação 4, a partir da qual pode ser determinado as coordenadas dos pontos do ciclo de furação, como mostra na Tabela 3.

( ) rpiPi +−= 1 (4)

Onde: i: é o índice da posição teórica atual; p: é o intervalo baseando no espaçamento uniforme de

pontos teóricos sobre o percurso de medição (mm); r: valor aleatório em cada posição teórica, permitindo um

espaçamento não uniforme das posições teóricas (mm).

59 TABELA 3 - Coordenadas dos pontos do ciclo de ensaio padronizado com

p=33,000 mm i r(mm) Pix (mm) Piy (mm) 1 1,028 1,028 1,028 2 3,327 36,327 36,327 3 2,671 68,671 68,671 4 2,135 101,135 101,135 5 4,198 136,198 136,198 6 3,075 168,075 168,075 7 0,568 198,568 198,568 8 1,427 232,427 232,427 9 2,532 266,532 266,532 10 1,096 298,096 298,096

Foram realizados 100 furos por ensaio de eixo, conforme

o ciclo padronizado da Figura 37, nas posições teóricas de coordenadas (Pix, Pjy) com i e j assumindo os valores: 1, 2, ..., 10. Após a execução dos dois ciclos de furação, as referidas posições dos furos foram medidas com uma MMC (Máquina de Medição por Coordenadas), com exatidão linear de 4,55 µm (3,5 + 3,5*L/1000 µm) para uma distância de 300 mm, em três ciclos de medição consecutivos.

A Tabela 4 mostra os resultados obtidos da avaliação metrológica dos eixos do robô Sankyo. A incerteza de medição da MMC não foi considerada por ter valor desprezível diante dos resultados obtidos. O procedimento completo deste ensaio com os dados medidos e os valores calculados segundo a norma NBR NM-ISO 230-2:1999 são apresentados no Apêndice A desta dissertação.

60 TABELA 4 - Resultado da avaliação metrologia realizada nos eixos do robô

Sankyo PARÂMETRO EIXO X

Avanço Retorno Ambos Histerese (mm) ------- ------- 0,025

Repetitividade (mm) 0,070 0,075 0,077

Erro sistemático (mm) 0,029 0,033 0,042

Exatidão (mm) 0,090 0,088 0,090

PARÂMETRO EIXO Y

Avanço Retorno Ambos

Histerese (mm) ------- ------- 0,026

Repetitividade (mm) 0,070 0,088 0,094

Erro sistemático (mm) 0,048 0,044 0,059

Exatidão (mm) 0,116 0,120 0,126

Os valores de exatidão obtidos, 0,090 mm para o eixo X e

0,126 mm para o eixo Y, são muito altos em comparação com a tolerância de posicionamento requerida pelo processo de furação em que o robô será utilizado.

Outro aspecto avaliado durante a operação com carga foi a rigidez mecânica do robô durante o processo de furação. Para isso, um relógio comparador e um apalpador foram usados, conforme mostra a Figura 38, para medir o deslocamento do eixo X nas direções Y e Z respectivamente.

Sabendo-se que a velocidade de avanço impacta diretamente na força de avanço e que a rigidez mecânica de um sistema é a razão entre a força e deformação, optou-se então por avaliar a rigidez dos eixos X e Y do robô em função da variação da velocidade de avanço, conforme pode ser observado na figura 39.

61

FIGURA 38 - Estratégia usada para avaliar a rigidez do eixo X robô

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

10 20 30 40 50

Velocidade avanço (mm/min)

Des

loca

men

to (m

m)

Z+ (mm) Y+ (mm)

FIGURA 39 – Resultado de deslocamento do eixo X nas direções Y e Z

Como pode ser observado na Figura 39 o eixo X sofre um

deslocamento de até 0,98 mm no sentido positivo do eixo Z, o que demonstra a falta de rigidez do sistema mecânico do robô diante dos esforços solicitados na velocidade de furação de 50 mm/min.

Com o objetivo de detectar a “perda” de passo do motor do eixo Z em diversas velocidades de avanço na furação foi utilizado um relógio comparador, com erro máximo de 0,02 mm, conforme mostra a Figura 40. O resultado obtido pode ser observado no gráfico da Figura 41, onde constata-se que a partir de 70 mm/min o motor do eixo Z começa a “perder” passo.

62

FIGURA 40 – Estratégia usada para detectar “perda” de passo no motor do

eixo Z.

0

2

4

6

8

10

12

40 50 60 70 80 90 100

Velocidade avanço (mm/min)

N° p

asso

s pe

rdid

os

Passos Perdidos

FIGURA 41 – Gráfico da perda de passo do eixo Z durante operação de furação

Cabe ressaltar que os resultados discutidos na verificação

de deslocamento do eixo X e na “perda” de passo do eixo Z, foram obtidos com a utilização de uma furadeira pneumática alimentada com pressão de 5 kPa, broca de aço rápido com diâmetro de 3,20 mm e processo de furação tipo quebra cavaco com avanço de 0,5 mm por penetração.

63

4.3 Operação assistida Para atender às especificações de tolerância de

posicionamento, será necessário utilizar um dispositivo, Figura 42, que servirá como guia para broca durante a furação robotizada das peças. Desta forma, evita-se que a peça receba os erros de posição provenientes da perda de passo nos motores dos eixos X e Y e da falta de rigidez do robô.

FIGURA 42 - Dispositivo guia para furação de peças

Com a utilização do dispositivo guia de furação pode-se

aproveitar as vantagens da furação robotizada sem perder a qualidade dimensional da peça. Para evitar a perda de passo no motor do eixo Z, a velocidade de avanço máxima foi limitada em 50 mm/min. Mesmo com esse valor de velocidade máxima, que é a metade do que seria convencionalmente utilizado nos centros de usinagem industriais, ainda assim existe um ganho de produção de 63 %, conforme mostra o gráfico da Figura 43.

64

0

50

100

150

200

250

300

350

400

5 10 20 30 40 50

velocidade avanço (mm/min)

Peç

as p

rodu

zida

s

Produção Robotizada Produção Manual Atual

FIGURA 43 - Ganho de produção em função da velocidade de avanço

5 Considerações Finais O processo de readequação tecnológica de robôs

baseado em baixo custo, pode ser considerado viável, desde que sejam conhecidas de forma clara e precisa as características do processo em que o mesmo será aplicado, pois desta forma é possível identificar as variáveis envolvidas e propor a solução mais adequada.

Outro aspecto relevante a ser considerado é a aplicação de robôs cartesianos no processo de usinagem. Ficou evidenciado que os esforços pertinentes à operação de usinagem exigem elevada rigidez da estrutura mecânica do robô que, não foi projetado para suportar este tipo de carga. Este fato não impede a utilização do equipamento, mas impulsiona o mesmo a um desgaste prematuro.

5.1 Conclusões

Este trabalho, além de demonstrar que a realização de

um retrofitting é uma boa solução para a atualização de equipamentos desassistidos ou tecnologicamente ultrapassados proporcionou a empresa contratante um aumento de produção na furação de peças metálicas da ordem de 63 %. Este resultado é fruto do funcionamento satisfatório das tecnologias mecânicas, eletroeletrônicas e de programação utilizadas.

Comparando o antes e o após readequação, o robô Sankyo teve uma redução de 64,3 % na velocidade da ferramenta e um incremento de 250,0 % no valor da resolução dos eixos. Apesar de haver uma sensível piora na resolução, de 0,010 mm para 0,025 mm, e na velocidade máxima dos eixos, de 1400 mm/s para 500 mm/s, agora os componentes são de baixo custo, comerciais e de fácil manutenção.

Um diferencial deste trabalho de readequação foi o uso de motores de passo de alto torque para o acionamento dos eixos em operação robotizada de furação. Verificou-se que para a tarefa de posicionamento dos eixos X e Y a tecnologia de motor de passo de alto torque atendeu perfeitamente. A limitação do mesmo foi identificada no eixo Z, onde se pode perceber que a partir do avanço de corte de 70 mm/min, o sistema começou a

66 “perder” passo de forma sistemática e comprometer o processo de furação. Para isso, se faz necessário a redução da capacidade de produção do equipamento, juntamente com um acompanhamento do desgaste da broca, já que com o maior desgaste a tendência é que a força de corte normal também seja maior.

Os resultados obtidos nos ensaios de repetitividade a vazio, com o robô operando em velocidade máxima dos motores de passo, foram satisfatórios, sendo o desvio de posicionamento máximo em cada eixo de 0,025 mm. Entretanto, não foram obtidos bons resultados nos ensaios de avaliação metrológica com carga que apresentaram os valores de exatidão de 0,126 mm e de 0,90 mm para os eixos X e Y respectivamente. Esses valores de exatidão representam a soma das imperfeições de natureza do acionamento dos motores e mecânica do robô como rigidez, erros geométricos assim também como da ferramenta como batimento do mandril, flambagem da broca. Embora, os valores de exatidão dos eixos X e Y estejam acima do desejado para o processo de fabricação, este erro pode ser remediado com a utilização de um dispositivo que irá guiar a broca enquanto o robô estiver realizando a tarefa de furação.

Quanto ao sistema eletroeletrônico, o mesmo atendeu ao objetivo do projeto, mas não se apresenta robusto o suficiente para utilização em um ambiente industrial. Ele não atende aos requisitos de segurança prescritos na Norma Regulamentadora 12. O sistema de intertravamento precisa também ser melhorado, para que as pequenas deficiências de operação constatadas sejam corrigidas.

Pode-se verificar por meio dos ensaios realizados que o Software CNC Mach3 atendeu de forma excelente às necessidades do processo. Ele se mostrou robusto (sem falhas) e suficientemente flexível para atender às necessidades específicas do processo de usinagem, principalmente no que se refere à capacidade de programação de macros e disponibilidade de saídas e entradas de comando, o que garante ao sistema maior autonomia.

67

5.2 Sugestões para trabalhos futuros Como sugestão para melhoria do processo proposto,

podemos destacar a realização dos ajustes necessários ao sistema de intertravamento, de modo a impedir que o sistema possa entrar em sequência de home sem que os drivers estejam ligados, e permitir que o botão de parada de emergência do painel de controle ative o stop do software Mach3.

Modificar a relação de transmissão do sistema de polia e correia dentada do eixo Z de 1:1 para 4:1 no sentido de aumentar o torque do respectivo fuso e proporcionar maior força de avanço da ferramenta.

Inserir um guia deslizante paralelo ao eixo Y e fixado na extremidade do eixo X com o objetivo de aumentar a rigidez do robô minimizando assim, o deslocamento do eixo X nas operações de furação.

Pode ser realizado também uma melhoria no dispositivo de alimentação das peças de modo à reduzir o tempo ocioso do robô durante a alimentação e desta forma aumentar a produção do sistema.

Inserir um sensor de posição ajustável sobre o eixo Z com a finalidade de detectar a perda de passo do respectivo motor devido ao desgaste da broca. Essa informação seria enviada via entrada digital ao controlador CNC Mach3 que, por sua vez, iria avisar o operador da necessidade de substituição da ferramenta.

Adequar o sistema eletroeletrônico às diretrizes da Norma Regulamentadora 12 do Ministério do Trabalho e Emprego para garantir maior confiabilidade ao robô. Esta adequação proporciona ao operador do robô uma maior tranquilidade quanto a possibilidade de falhas que possam colocar em risco a sua integridade física.

68

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72

APÊNDICE A – DERTEMINAÇÃO DA EXATIDÃO E REPETITIVIDADE DOS EIXOS X E Y DO ROBÔ SANKYO

O processo de avaliação metrológica do robô Sankyo foi baseado na NBR NM-ISO 230-1:1999 e NBR NM-ISO 230-2:1999. A norma NBR NM-ISO 230-1:1999, em seu item 4, orienta que a execução dos ensaios práticos não devem requerer operações diferentes daquelas para as quais a máquina foi construída. Deve-se levar em consideração também os tipos de peças a serem feitas, suas dimensões, seu material e grau de exatidão a ser obtido assim como as condições de usinagem devem ser acordadas entre fabricante e usuário. Com isso o seguinte procedimento sequencial de avaliação foi executado:

a) definição do volume de trabalho a ser ensaiado; b) definição das posições teóricas onde os furos serão

executados; c) montagem do ciclo de ensaio; d) execução dos ciclos de furação, X e Y, nos pontos pré-

determinados; e) verificação dimensional da posição dos furos, em três

ciclos de medição consecutivos; f) tratamento estatístico das informações coletadas; g) apresentação dos resultados estatísticos. A NBR NM-ISO 230-2:1999 orienta quanto ao método de

execução dos ensaios e avaliação da exatidão e repetitividade de posicionamento dos eixos, os métodos propostos envolvem medições repetitivas em cada posição. Os parâmetros apresentados são calculados de acordo com Guia para Expressão da Incerteza de Medição.

Tendo em vista que o robô cartesiano em sua aplicação deverá executar somente a atividade de furação do tipo passante, optou-se por realizar a avaliação metrológica somente nos eixos X e Y. A partir da área total, 300 x 300 mm, foram definidos conforme orientação do item 4.2 da NBR NM-ISO 230-2:1999, os pontos do ciclo de ensaio padronizado. Foram definidos 5 ciclos, constituídos por 10 pontos no sentido de avanço e 10 pontos no sentido de recuo, ao longo da área de trabalho do robô conforme exemplificado na Figura A1.

74

(a)

(b)

FIGURA A1– Ciclo de ensaio: eixo X em (a) e eixo Y em (b) Após conclusão da furação, foi efetuado com o auxílio de

uma máquina de medir por coordenadas, a medição das coordenadas das posições dos furos de ambos os ciclos de furação. Esta etapa de medição foi realizada em três ciclos de medição consecutivos para cada eixo ensaiado. As Tabelas A1 a A6 mostram todo o tratamento estatístico definido na norma NBR NM-ISO 230-2:1999.

75

TABELA A1 –Tratamento estatístico referente ao ensaio do eixo X (continua)

76

TABELA A2 – Tratamento estatístico referente ao ensaio do eixo X

77

TABELA A3 – Tratamento estatístico referente ao ensaio do eixo Y(continua)

78

TABELA A4 – Tratamento estatístico referente ao ensaio do eixo Y

79

TABELA A5 – Resultados eixo X

TABELA A6 – Resultados eixo Y

80

Com os resultados, das Tabelas A1 a A6, foi possível montar, para os eixos X e Y do robô Sankyo, as curvas de repetitividade e exatidão em função da posição, conforme pode ser observado nas Figuras A2 e A3.

FIGURA A2 – Curva de desvios, repetitividade e exatidão do eixo X: retorno

em (A), avanço em (B), ambos os sentidos em (C)

81

FIGURA A3 – Curva de desvios, repetitividade e exatidão do eixo Y: retorno

em (A), avanço em (B), ambos os sentidos em (C)

(B)

-0,040-0,0200,0000,0200,0400,0600,0800,1000,120

0,000 35,299 67,643 100,106 135,170 167,046 197,540 231,399 265,504 297,068

Posição (mm)

Des

vio

(mm

)

Desvio Sistemático Exatidão Repetitividade Desvio Retorno

Repetitividade Exatidão Desvio Sistemático

(A)

-0,040-0,0200,0000,0200,0400,0600,0800,1000,120

0,000 35,299 67,643 100,106 135,170 167,046 197,540 231,399 265,504 297,068

Posição (mm)

Des

vio

(mm

)

Desvio Sistemático Exatidão Repetitividade Avanço

Desvio Avanço Repetitividade Avanço Exatidão

Desvio Sistemático

(C)

-0,040

-0,020

0,000

0,020

0,040

0,060

0,080

0,100

0,000 35,299 67,643 100,106 135,170 167,046 197,540 231,399 265,504 297,068

Posição (Pi) (mm)

Des

vio

(mm

)

Desvio Avanço Desvio Retorno Desvio médio Repetividade

Repetividade Desvio Sistemático Exatidão - Exatidão +