Estudo e Modelagem Computacional de um Robô Aplicado em Processos de Usinagem

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1 Universidade Federal de São João Del-Rei MG 26 a 28 de maio de 2010 Associação Brasileira de Métodos Computacionais em Engenharia Estudo e Modelagem Computacional de um Robô Aplicado em Processos de Usinagem Fábio de Oliveira Campos 1 ; Armando Carlos de Pina Filho 2 ; Aloísio Carlos de Pina 3 1 UFRJ, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Mecânica Rio de Janeiro, RJ, CEP: fabio_campos@ufrj.br 2 UFRJ, Escola Politécnica, Programa de Engenharia Urbana Rio de Janeiro, RJ, CEP: armando@poli.ufrj.br 3 UFRJ, COPPE, Programa de Engenharia Civil Rio de Janeiro, RJ, CEP: aloisiopina@bol.com.br Resumo. Robôs aplicados em processos de usinagem são basicamente robôs manipuladores, em sua grande maioria do tipo articulado, o que aumenta a sua versatilidade, possibilitando a realização de diversas tarefas em função da ferramenta específica acoplada ao robô. Esses mecanismos possuem muitas vantagens em relação às tradicionais máquinas CNC, tais como: maior flexibilidade, menor custo inicial, menor perda de material no processo, melhor acabamento das superfícies de peças, etc. Alguns pontos importantes para a escolha do robô adequado a determinado processo são: a complexidade geométrica das peças, as tolerâncias requeridas, a própria forma de realização do processo, etc. Apesar de tantos detalhes, a estrutura primordial desse tipo de robô se baseia num robô manipulador tradicional. Sendo assim, o presente trabalho tem por objetivo fazer um estudo de robôs aplicados a processos de usinagem, ressaltando suas principais características, e partir daí realizar a modelagem computacional de um robô manipulador a ser utilizado em simulações de processos de usinagem. Palavras chaves: Robótica, Usinagem, Modelagem Computacional.

2 1 INTRODUÇÃO Os robôs utilizados nos processos de usinagem são os chamados robôs manipuladores. Um manipulador pode ser definido como um mecanismo multifuncional reprogramável projetado para mover materiais, peças, ferramentas ou dispositivos especializados através de movimentos programados para o cumprimento de tarefas variadas (Pazos, 2002). Os robôs manipuladores são constituídos de elos ligados por juntas que podem ser de revolução, fazendo com que um elo gire em relação ao outro, ou prismática, fazendo com que um elo translade em relação ao outro. O efetuador é o dispositivo fixado no último elo e que realiza a tarefa propriamente dita, podendo ser uma garra ou uma ferramenta. A quantidade de elos e o tipo de juntas definem a anatomia do robô. Os manipuladores podem ser classificados, basicamente, em quatro grupos (Fig. 1). Os robôs de coordenadas cartesianas possuem as três primeiras juntas prismáticas. Os de coordenadas cilíndricas possuem a primeira de revolução e as outras duas prismáticas. Os manipuladores esféricos possuem as duas primeiras juntas de revolução e a terceira prismática. Por fim, os de coordenadas de revolução possuem todas as juntas de revolução, sendo também chamados de braços mecânicos, pois suas seis juntas reproduzem o movimento do braço humano. Figura 1 - Robô de coordenadas cartesianas, cilíndricas, esféricas, revolução (Pazos, 2002). Cada tipo de robô possui um volume de trabalho característico, que é o conjunto de todos os pontos que o efetuador consegue alcançar. Logicamente, esse volume varia de acordo com o tamanho dos elos e do alcance das juntas. As juntas dos manipuladores são acionadas por atuadores que podem ser hidráulicos, pneumáticos ou elétricos. Os primeiros são pistões ou motores hidráulicos que utilizam como fluido um óleo bastante viscoso e fornecem grande precisão aos robôs, assim como grande capacidade de carga. Os atuadores pneumáticos são similares aos hidráulicos, porém utilizam como fluido o ar que por ser bastante compressível a altas pressões dão aos robôs uma baixa precisão. Os atuadores elétricos utilizam motores elétricos, fornecendo aos robôs uma boa precisão e com uma vantagem em relação aos hidráulicos: eles não correm o risco de contaminar a área de trabalho. Porém têm a desvantagem de ter menor capacidade de carga e não poderem ser usados em ambientes com risco de incêndio. Há três tipos básicos de controle utilizados nos robôs manipuladores. O primeiro é chamado bang-bang, que tem como objetivo levar o efetuador de um ponto a outro, sendo que esses pontos são dados pelas características mecânicas dos atuadores. Esse tipo de controle opera em malha aberta e não dá ao robô muita precisão. O segundo tipo é o de trajetória ponto a ponto, que também tem como objetivo levar o efetuador de um ponto inicial até um final, podendo ou não passar por pontos intermediários, não importando a trajetória que ele fará. Esse tipo de controle opera em malha fechada com um sensor de posição. O terceiro e último tipo de controle é o de trajetória contínua e faz com que o robô

3 vá de um ponto a outro seguindo uma trajetória pré-programada. Para isso, ele opera em malha fechada com sensores de posição e velocidade. Para se qualificar o trabalho de um robô manipulador existem dois conceitos fundamentais: a repetibilidade, que mede a capacidade do robô de retornar a um ponto qualquer do seu volume de trabalho repetidamente, e a precisão, que mede a capacidade do robô de voltar a um ponto específico do volume de trabalho. 2 ROBÔS MANIPULADORES X MÁQUINAS CNC Soldagem a arco, soldagem por ponto, paletização, pega-e-põe, montagem, entre outros processos são exemplos típicos das aplicações mais utilizadas nas indústrias para os robôs manipuladores. Porém, há alguns anos, vem aumentando progressivamente a utilização desses robôs para a automação de diversos processos de usinagem. As indústrias já perceberam que, para uma grande parte das operações de usinagem, eles trazem muitas vantagens em comparação com as tradicionais máquinas CNC. A primeira vantagem óbvia desses robôs é o número de eixos que eles possuem. As máquinas de usinagem CNC convencionais possuem, normalmente, de três a cinco eixos, enquanto que os robôs manipuladores possuem seis eixos, o que dá a eles de três a um grau de liberdade a mais que as máquinas. Essa diferença dá ao robô um volume de trabalho bem maior, resultando em uma maior flexibilidade na hora da operação. Além disso, a própria anatomia dos robôs também faz com que a usinagem seja muito mais flexível. Há operações em que é necessário parar a máquina CNC para a troca da ferramenta de trabalho ou movimentação da peça que está sendo usinada. Já os robôs conseguem usinar a peça de uma vez, resultando em uma maior produção em menos tempo, já que o robô fica mais tempo trabalhando do que a máquina CNC. Outra vantagem dos robôs é que são projetados para diversas tarefas, bastando para isso, que se troque o efetuador. Sendo que para essa troca acontecer, não é necessário que um operador a realize, basta que a troca esteja no programa de controle do robô. Por exemplo, a Fig. 2 mostra o robô KR 140 da Kuka, que pode ser usado para diversas operações de usinagem, além de operações de paletização, de encaixe, solda a ponto, movimentação de materiais, pintura, entre muitas outras. Figura 2 - Robô KR 140 da Kuka (Kuka, 2009).

4 Além de uma maior flexibilidade, outra vantagem essencial dos robôs é o custo inicial para instalação do equipamento. Enquanto que o custo da implementação de uma fresadora de cinco eixos está entre $ e um milhão de dólares, o custo de um robô de seis eixos se encontra entre $ e $ , ou seja, uma redução de custos de até 82,5% (Manufacturing Engineering, 2005). Na Fig. 3 pode-se observar mais uma vantagem dos robôs manipuladores sobre as máquinas CNC. O robô HP80-50 da Motoman, por exemplo, necessita de um espaço de chão de fábrica de, aproximadamente, 0,5m² para sua instalação. Ou seja, além de ter um volume de trabalho muito maior do que o das máquinas CNC, os robôs são muito mais compactos, necessitando de muito menos chão de fábrica para serem instalados. Figura 3 - Vista superior do robô HP80-50 da Motoman (RobotWorx, 2009). As indústrias têm optado cada vez mais pela utilização dos robôs manipuladores nos processos de usinagem, não só pelo menor custo inicial, mas também pelo menor custo de operação. Eles apresentam menores gastos de energia e menor desperdício de material, o que é essencial já que ambos o custo de energia e de material estão cada vez mais caros, além de diminuir custos com mão-de-obra (Brumson, 2008). Logicamente, a automação desses processos traz um benefício direto para o homem, já que o mantém afastado de ambientes nocivos e situações de risco que alguns processos de usinagem apresentam. Uma ilustração dessa tendência por parte das indústrias são os números das vendas de robôs. Por exemplo, segundo a RIA Robotics Industries Association no primeiro semestre de 2006 a venda de robôs na América do Norte caiu 38% em relação ao mesmo período do ano anterior. Porém, enquanto a maioria das áreas da robótica apresentou declínio nas vendas, a área de robôs de usinagem cresceu 33% (RIA, 2006). Apesar das vantagens apresentadas, os robôs apresentam uma grande desvantagem em relação às máquinas CNC: uma menor rigidez. Para usinagem de materiais como plástico e espuma, os robôs atuais apresentam rigidez suficiente para realizar a operação, porém as forças geradas no corte de aço, por exemplo, são bem maiores (Brumson, 2005). Apesar disso, alguns robôs são utilizados na usinagem de peças que necessitam uma maior rigidez, porém a precisão neste caso é prejudicada. Outro problema foi a linguagem de programação usada pelos robôs, o que dificultou a entrada no mercado de usinagem. As máquinas CNC utilizam uma linguagem chamada de G-code, fazendo uso de sistemas CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing - Projeto Assistido por Computador/Fabricação Assistida por Computador), facilitando o projeto e fabricação de peças. Os robôs não tinham capacidade de ler programas em G-code, logo foi necessário a criação de um software que convertesse o G- code para uma linguagem que o robô utilizasse. Assim, os manipuladores também passaram a fazer uso de sistemas CAD/CAM (Webb and Morel, 2005).

5 Na Fig. 4 pode-se ver um exemplo de fabricação por sistema CAD/CAM de um robô da ABB. À esquerda temos a peça modelada em 3D com o programa IRBCAM da própria ABB. À direita é mostrado a peça real já usinada. Figura 4 - Projeto de uma peça em CAD e peça real já fabricada (IRBCAM, 2009). 3 ESPECIFICAÇÕES DO ROBÔ Robôs para usinagem podem ser divididos, basicamente, em cinco grandes grupos (Brumson, 2008). O primeiro grupo representa operações onde o robô retira material do perímetro das peças, como rebarbamento e operações de corte. O segundo grupo inclui operações de acabamento de superfícies e de polimento. Outro grupo é o de acabamento de superfícies de peças de plástico, onde se remove qualquer superfície áspera de um molde. O quarto grupo é o de operações como de lixamento. Nessas operações o robô retira a camada superficial de uma determinada peça para que depois ela possa ser reaplicada ou para que seja feita alguma outra operação nela. O último grupo é o de operações de fresamento, onde o robô cria, a partir do bloco de algum material, um formato específico. Dentre os robôs disponíveis no mercado pelos grandes fabricantes, os robôs utilizados nas operações de usinagem são, quase que em sua totalidade, de coordenadas de revolução, ou seja, possuem seis eixos (seis graus de liberdade) e todas as suas juntas são de revolução. O outro tipo de anatomia encontrada, porém muito raramente, é a de coordenadas cartesianas. O uso de robôs de coordenadas de revolução é bastante óbvio, pois são os mais flexíveis, podendo ser utilizados em praticamente todas as aplicações. Em operações de usinagem é muito importante que a ferramenta siga um caminho exato na superfície da peça que está sendo trabalhada. Por isso, é essencial que o tipo de controle utilizado nesses robôs seja o de trajetória contínua. Outro fator de extrema importância é a repetibilidade do robô. Quanto maior a repetibilidade do robô, maior será a constância dos seus movimentos, o que é fundamental para uma boa usinagem. Enquanto para outras aplicações há robôs com repetibilidade até ±0,6mm, para as operações de usinagem o ideal é que ela esteja entre ±0,02mm, para robôs de pequeno porte e baixa capacidade de carga, e ±0,40mm, para robôs de porte muito grande, assim como grande capacidade de carga (Brumson, 2008). Também é necessário o uso de sensores nos robôs de usinagem. Primeiramente, é necessário o uso de um sensor de posição para que ele saiba se a ferramenta está no ponto certo. Também é preciso a utilização de sensores de velocidade, pois a velocidade da ferramenta de corte é uma das variáveis que mais afetam o processo de usinagem. É importante também, o uso de sensores para controle de força. Esses sensores conseguem

6 sentir o estado de uma superfície e ajustar o tamanho da força que a ferramenta precisa fazer na peça. Esse controle de força é essencial para qualidade final da peça. Sem ele, o robô corre o risco de remover muito ou pouco material da peça, a ferramenta pode quebrar, entre outras conseqüências (Brumson, 2002). Devido à grande flexibilidade dos robôs manipuladores, não há características específicas que um robô tem para conseguir realizar um determinado processo de usinagem. Eles são projetados de forma que a maioria possa ser utilizado em diversos processos diferentes. O processo que exige características mais específicas do robô é o de fresamento, porém mesmo assim, somente quando o material a ser usinado é muito duro e exige uma rigidez maior por parte do robô. 4 MODELAGEM COMPUTACIONAL DO ROBÔ A partir dos conceitos de robôs manipuladores e de suas especificações para aplicação em operações de usinagem, o objetivo final deste trabalho é apresentar a modelagem computacional de um robô manipulador que possa ser utilizado com esta finalidade. A fim de executar tal modelagem, foram usados programas de CAD, mais precisamente, o AutoCAD da empresa Autodesk. Esse modelo 3D preparado em CAD poderá ser usado posteriormente em simulações de funcionamento. Esta pesquisa tem aplicações educacionais na área de Engenharia Mecânica, principalmente no projeto de máquinas e robôs, assim como nos processos de fabricação. A Fig. 5 mostra a modelagem da base do robô, enquanto a Fig. 6 apresenta todos os elos e juntas do robô. A montagem do robô (vista isométrica) pode ser vista na Fig. 7, e as vistas principais do robô são apresentadas na Fig. 8. Figura 5 - Base do robô. Figura 6 - Elos e juntas do robô.

7 Figura 7 - Montagem do robô (vista isométrica). Figura 8 - Principais vistas do robô.

8 5 CONCLUSÃO A utilização de robôs manipuladores em processos de usinagem já é uma realidade nas indústrias mundiais, e foi desenvolvida rapidamente pela implementação de novas tecnologias. Quando escolhido corretamente, o robô manipulador apresenta muitas vantagens em comparação às máquinas CNC, tais como: redução de custos, economia de tempo, assim como a maior qualidade no acabamento das peças. Os robôs podem perfeitamente ser utilizados em processos de usinagem de peças feitas de plástico, espuma ou outros materiais que não são tão resistentes. Porém, ainda não são capazes de executar processos de usinagem com tanta precisão quanto às máquinas CNC. Também não apresentam a rigidez necessária para executar operações em peças de aço, por exemplo. Por conta disso, o desenvolvimento da tecnologia do controle de força é um dos fatores que podem tornar possível o uso destes robôs em processos que exijam maior precisão, em especial, nas peças de material mais resistente. Uma desvantagem seria a perda de flexibilidade, e o robô não seria adequado para outras tarefas. A partir do modelo 3D que foi criado por meio de programas do CAD, pode-se realizar diversas simulações de processos de usinagem, que é o objetivo de trabalhos futuros baseados nesta pesquisa. Além disso, o modelo pode ser utilizado para estudar sistemas de controle, assim como detalhes do projeto mecânico de um robô real. Agradecimentos O autor Aloísio Carlos de Pina gostaria de agradecer à CAPES e FAPERJ pelo suporte financeiro fornecido durante o decorrer deste trabalho. 6 BIBLIOGRAFIA Brumson, B., Take it Off: Robotic Material Removal Applications. Robotic Industries Association, 8 de novembro de 2009, < Brumson, B., What Material Removal Process Is Right for You? Robotic Industries Association, 9 de novembro de 2009, < Brumson, B., 2008, Robots on the Grindstone: Material Removal Robots. Robotic Industries Association, 2 de novembro de 2009, < IRBCAM, < Kuka Robot Group, < Manufacturing Engineering, What s Up With Robotic Milling. Manufacturing Engineering, FindArticles.com, 14 de novembro de 2009, < Pazos, F., Automação de Sistemas & Robótica. 1a Ed., Axcel Books, Rio de Janeiro, Brasil. RIA, Robot Sales Fall 38% in North America. Robotic Industries Association, 9 de novembro de 2009, < RobotWorx, < Webb, G., Morel, M. K., Robots: The Lower Cost, More Flexible Process Improvement Alternative to CNC Machine Tools. Robotic Industries Association, 15 de novembro de 2009, < 7 DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído neste trabalho.