PROPOSTA DE DESENVOLVIMENTO DE MESA TRIDIMENSIONAL PARA TOPOGRAFIA A LASER E MOVIMENTAÇÃO EM SOLDAGEM

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1 CONVÊNIOS CNPq/UFU & FAPEMIG/UFU Universidade Federal de Uberlândia Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação DIRETORIA DE PESQUISA COMISSÃO INSTITUCIONAL DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA 2008 UFU 30 anos PROPOSTA DE DESENVOLVIMENTO DE MESA TRIDIMENSIONAL PARA TOPOGRAFIA A LASER E MOVIMENTAÇÃO EM SOLDAGEM Víctor Augusto Nascimento de Morais 1 UFU Universidade Federal de Uberlândia Av. João Naves de Ávila, 2121, Campus Santa Mônica, Bloco 1M. CEP ; Uberlândia MG, Brasil. Louriel O. Vilarinho 2 Resumo: Ao longo do processo de soldagem, a obtenção de soldas retilíneas e curvilíneas no plano ou no espaço com precisão e repetibilidade são de extrema importância. Dessa forma, faz-se necessário a automatização desse processo de forma a torná-lo menos susceptível ao erro. Este artigo apresenta um projeto que consiste no desenvolvimento de uma mesa de coordenadas tridimensional acionada pelo computador que comandam motores de passo de forma a determinar uma posição no espaço, permitindo assim também, sua utilização para topografia a laser. Palavras-chave: mesa de coordenadas, automatização de processos, motores de passo, soldagem. 1. INTRODUÇÃO A realização de soldas retilíneas e curvilíneas no plano ou no espaço com certa precisão e repetibilidade são muito importantes. E esta repetibilidade é difícil de ser alcançada com soldagem manual, pois o soldador, por mais experiente que seja não consegue manter constante por um longo período, parâmetros importantes, como velocidade de soldagem, altura de arco, ângulo de ataque e posicionamento da pistola sobre a trajetória. Mesmo se conseguisse manter estes parâmetros de soldagem constantes ao longo de um cordão, outra dificuldade que surgiria para o soldador, seria reproduzir repetidas vezes a mesma tarefa. Dessa forma, para diminuir a interferência humana na realização de soldas, superando a escassez de trabalho qualificado, há cada vez mais tendência à automatização dos processos de soldagem. Este fato faz com que o operário não fique tão exposto aos efeitos nocivos à saúde e também faz com que se aumente a quantidade de material depositado por hora e consequentemente a produtividade. É bom destacar que a elaboração de um sistema automatizado como uma mesa de coordenada para soldagem que reduza erros por fadiga e cansaço do operador, além de proporcionar alta produtividade, aliada a qualidade, é de extremo interesse para a indústria, uma vez que o mercado se torna cada vez mais competitivo e temas relacionados a qualidade e segurança do trabalho estão cada vez mais em voga. O projeto de automatização proposto aqui, com base nas necessidades expostas acima, visa o projeto, a construção e o controle de uma mesa de coordenadas com custo relativamente baixo para estudo da Física do Arco da Soldagem e Topografia a Laser. 1 Graduando em Engenharia Mecatrônica, UFU 2 Prof. orientador: Louriel O.Vilarinho, UFU.

2 Para a construção da mesa, foi feito um projeto prévio fazendo-se uso do software SolidWorks com o intuito de visualizar, quantificar peças, interferências e dimensões finais do projeto. Figura 1 Esquema do projeto inicialmente proposto em vista trimétrica. Como se pode ver, o esquema proposto terá inicialmente três graus de liberdade, movimentando-se em x, y, z. O projeto pode ser estendido a seis graus de liberdade (duplo x, duplo y, e duplo z) ou até mesmo 7, se considerar um eixo central que proporcione uma rotação do conjunto. Cada grau de liberdade será proporcionado por um carro mecânico dotado de um fuso de rosca fina, guias lineares ou eixos, e um motor de passo. Os acionamentos dos eixos lineares serão feitos pelos motores de passo, que são dispositivos eletromecânicos que ao serem alimentados produzem movimentos angulares discretos que podem ser transformados em movimentos lineares através da aplicação do carro mecânico. Na figura 1, em laranja, está esquematizado o suporte do 3 eixo aonde será acoplada a tocha da solda, cujo arco será estudado, ou mesmo o laser que será usado para a leitura topográfica. A proposta inicial é de que se tenha um curso de em torno de 400 mm para cada um dos 3 eixos, para que se torne a mesa o mais flexível, podendo receber peças de maiores dimensões. Figura 2 Vista frontal da mesa de coordenadas proposta. 2

3 Figura 3 Tomada posterior da mesa. Figura 4 Detalhe do 3 eixo. O princípio de funcionamento da mesa se exprime pela comunicação dos dados entre os equipamentos eletrônicos que se dá na seguinte ordem: do computador para os drivers (acionadores), destes para os amplificadores de sinal, e finalmente, destes amplificadores para os motores de passo. 3

4 O computador irá atuar através de uma placa de saída digital da National Instruments que será comandada por um programa elaborado através do software LabView. Os drivers são dispositivos projetados para comandar motores de passo. Sua característica principal é converter sinais elétricos de saídas rápidas de CLP s, PC s, etc. em sinais sincronizados e amplificados para motores de passo. O driver possibilita o controle de velocidade, sentido de rotação do motor e parada com grande precisão. Os amplificadores de sinal são dispositivos necessários para suprir a demanda de energia do motor elevando a tensão ou a corrente fornecida pelos acionadores para níveis compatíveis com a placa de especificação do motor de passo. Figura 5 Diagrama de fluxo do equipamento a ser desenvolvido. Já o motor de passo é um transdutor que converte energia elétrica em movimento controlado através de pulsos, o que possibilita o deslocamento por passo, onde passo é o menor deslocamento angular. Dessa forma, ao ser acoplado ao fuso do carro mecânico, o movimento angular discreto é tranferido para um movimento linear discreto, nas direções x, y e z, permitindo a movimentação da tocha de solda conforme a trajetória desejada. O princípio de funcionamento da mesa se baseia na transferência de movimentos. O movimento rotativo do motor do 1 eixo (ver figura 5) gira o fuso que está acoplado a um fuso de esferas recirculantes. Dessa forma, a cada passo do motor, esse 1 eixo se desloca em movimentos dicretos e lineares através das guias prismáticas lineares. A composição das mais variadas trajetórias se dá pelo fato do segundo carro mecânico estar acoplado ao primeiro, e o terceiro acoplado ao segundo (ver figura 4). 4

5 2. DESENVOLVIMENTO O desenvolvimento do projeto será baseado em algumas premissas. Primeiramente, todo o sistema apresentado será controlado por uma unidade central desenvolvida em LabView e que utiliza hardware da National Instruments. Será também realizado um estudo e seleção de componentes para a confecção da mesa, respeitando sempre uma relação de compromisso entre custo x necessidade x precisão. No decorrer do projeto, os desenhos realizados através da ferramenta CAD, podem e devem ser aprimorados à medida que necessidades forem surgindo. Após a escolha dos materiais e conseqüente elaboração final do projeto CAD, passa-se a etapa seguinte que é a construção da mesa propriamente dita (construção de uma mesa de coordenadas com 3 graus de liberdade dotada de 3 carros mecânicos, compostos cada um de : 2 guias lineares, 2 patins, 1 fuso com rosca fina, 2 mancais de rolamento sendo um deles com flange para acoplamento do motor de passo, 1 motor de passo). Com a mesa perfeitamente montada e ajustada, o próximo passo é o projeto e construção de 3 acionadores (drivers) para os motores de passo, além do projeto e construção de 3 amplificadores de sinal, para serem acoplados após a saída dos drivers. Caminhando para a fase final do projeto, após o acoplamento dos drivers e amplificadores de sinal na mesa de coordenadas, começa-se a implementação de uma interface utilizando o programa LabView que faça o monitoramento e controle dos motores, alterando variáveis como velocidade e torque, para que se torne possível, a composição das mais variadas geometrias. Por fim, faz-se necessário passar a mesa por um processo de calibração e adequação a normas de funcionamento de máquinas-ferramenta. Desta forma, a estratégia de ação geral é utilizando-se placas de aquisição (National Instruments), softwares (LabView ) e motores de passo comerciais, projetar, construir e controlar uma mesa de coordenada, cujo corpo foi mostrado na Figura 1, para uso no Estudo da Física do Arco de Solda e Topografia a Laser. 3. OBJETIVOS O presente trabalho propõe desenvolver uma solução de baixo custo para a construção de uma mesa de coordenadas de três graus de liberdade para o estudo da Física do Arco da Soldagem e Topografia a Laser. Ao final da pesquisa espera-se tecnologicamente que o equipamento desenvolvido para realizar a união de chapas metálicas e a geração de geometrias complexas, compostas por segmentos de retas, arcos, círculos ou linhas de forma irregular, além de reconstruções topográficas de geometrias pelo uso de laser, tenha-se aproximado dos resultados reais esperados e, desta forma, tenha contribuído para facilitar e melhorar a qualidade e produtividade de soldas. 4. JUSTIFICATIVAS A necessidade por parte das empresas e indústrias do setor de reduzir custos e elevar a produtividade tem feito as mesmas a implantar inovações, aliadas entre outras a um controle rígido dos parâmetros que envolvem os processos de união de peças (soldagem). Atualmente, mesas de coordenada para o processo de soldagem e que possuem uma boa precisão e apresentam movimento em três eixos diferentes, permitindo três graus de liberdade, possui custo relativamente alto, avaliado em mais de R$ ,00. Além disto, a falta de constância por parte do operador é outra vertente problemática, levando as indústrias a buscar soluções que reduzam a interferência humana no processo de soldagem. Com isso, as empresas estão buscando automatizar os sistemas de produção, onde se é 5

6 possível aumentar a produtividade, padronizar a peça, reduzir custos, aumentar a qualidade da peça além de proporcionar mais comodidade ao operador. Desta forma, a principal justificativa para se realizar esta pesquisa é de se obter ao final uma ferramenta de extrema importância para o ambiente da soldagem, dotado de precisão milimétrica, e grande capacidade de produção, além de ser extremamente versátil, se adequando as mais diversas configurações aliado a um sistema de baixo custo e um ambiente computacional de fácil manuseio. 5. AGRADECIMENTOS O discente agradece primeiramente a Deus por estar iluminando seu caminho ao longo deste projeto científico, ao professor orientador Louriel O. Vilarinho pela confiança em dedicar este projeto ao autor, além da atenção em todos os momentos de dificuldade, e ao CNPq/UFU pela bolsa de iniciação científica que tem proporcionado a realização deste projeto. 6. BIBLIOGRAFIA MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. Trad. Aracy Mendes da Costa. São Paulo: McGraw-Hill, ed. (Trad. de Eletronic principles) ROBERT L. BOYLESTAD Dispositivos Eletrônicos e teoria de circuitos elétricos. Louis Nashelsky Prentice-hall do Brasil, ed. SIGHIERI, Luciano, NISHINARI, Akiyoshi. Controle automático de processos industriais instrumentação. São Paulo: Edgard Blücher, ed. ABNT. Código de ensaio de máquinas ferramenta NBR NM-ISO Parte 1: Exatidão geométrica de máquinas ferramenta operando sem carga ou em condições de acabamento, p BUTLER, J.; HAACK, B.; TOMIZUKA, M. Reference input generation for high speed coordinated motion of a two axis system v. 113, p PROPOSAL FOR DEVELOPMENT OF A THREE-DIMENSIONAL TABLE FOR LASER TOPOGRAPHY AND WELDING Víctor Augusto Nascimento de Morais UFU Universidade Federal de Uberlândia - Avenida João Naves de Ávila, 2160, Campus Santa Mônica, Bloco 1M. CEP ; Uberlândia MG, Brazil. Louriel O. Vilarinho Abstract: Throughout the process of welding, the obtaining of solders straight and curvilinear in the plan or in space with accuracy and repeatability are very important. Thus, it is necessary to automate this process to make it less susceptible to error. This article presents a project that is to develop a table of three-dimensional coordinates thrown by the computer running step motors in order to establish a position in space, thus also their use for the laser topography. Keywords: table of coordinates, automation of processes, step motors, welding. 6

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