Aplicações de Sistemas Robotizados em Processos Industriais

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1 PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL FACULDADE DE ENGENHARIA ENGENHARIA MECÂNICA 4444W-02 SISTEMAS ROBOTIZADOS Prof. Felipe Kühne Aplicações de Sistemas Robotizados em Processos Industriais Uma das primeiras instalações de um robô industrial foi feita em 1961, em uma fábrica da GM em Detroit, quando um robô acionado hidraulicamente foi utilizado na tarefa de descarregar moldes de uma máquina de fundição (figura abaixo). O ambiente típico da fundição é impróprio para seres humanos devido ao calor proveniente dos gases emitidos pelo processo. Assim, parece bastante lógica a utilização de um manipulador robótico neste ambiente de trabalho, substituindo um operador humano. O ambiente de trabalho é uma das várias características que devem ser consideradas durante o projeto de automatização com robôs industriais. As características gerais que são usadas para justificar o emprego de robôs manipuladores ou a substituição de operários humanos por máquinas automatizadas são as seguintes: Trabalho perigoso para seres humanos. Quando o trabalho e o ambiente no qual ele é desempenhado são perigosos, inseguros, nocivos à saúde, desconfortáveis, ou de certo modo desagradáveis para as pessoas, é desejável considerar o uso de um robô industrial para a tarefa. Além da fundição, outros processos que podem ser citados são forjamento, pintura por pulverização (spray), soldagem a arco e soldagem a ponto; 1

2 Ciclo de trabalho repetitivo. Uma segunda característica que tende a promover o uso da robótica é um ciclo de trabalho repetitivo. Se a seqüência de elementos no ciclo é a mesma e os elementos consistem de movimentos simples, um robô normalmente é capaz de desempenhar o ciclo de trabalho com mais consistência e repetibilidade que um operador, o que normalmente reflete em uma qualidade maior do produto final; Peças de difícil manuseio. Se a tarefa envolve o manuseio de peças ou ferramentas que são pesadas ou difíceis de manipular, um robô industrial pode ser disponibilizado para realizar a operação. Peças ou ferramentas pesadas demais para que pessoas manuseiem encontram-se absolutamente dentro da capacidade de um grande robô; Operação em múltiplos turnos. Em operações manuais exigindo segundo e terceiro turnos, a substituição por robô proporciona retorno financeiro mais rápido do que a operação em turno único. Neste sentido, ao invés de substituir um trabalhador, o robô pode ser equivalente a três trabalhadores, considerando que o robô pode trabalhar ininterruptamente. Robôs estão sendo usados em diversas aplicações na indústria. A maioria destas aplicações está na manufatura e podem ser classificadas em uma das seguintes categorias: (1) manuseio de materiais, (2) operações de processamento ou (3) montagem e inspeção. Recentemente a IFR (International Federation of Robotics) publicou uma lista com as dez aplicações mais comuns na indústria onde robôs manipuladores são utilizados: 1. Solda em arco 2. Solda-ponto 3. Manipulação e transporte 4. Abastecimento de máquinas 5. Pintura 6. Empacotamento e paletização 7. Montagem 8. Corte e acabamento 9. Aplicação de materiais para selagem e colagem 10. Outros (inspeção, corte a água, soldagem, ) Um vídeo da ABB com exemplos pode ser visto em Veremos a seguir, com mais detalhes, algumas destas aplicações. 2

3 1 Manipulação de materiais Em aplicações deste tipo, o robô move materiais ou peças de um lugar para outro. Para realizar a tarefa, o robô é equipado com um órgão terminal do tipo garra ou ventosa. O órgão terminal deve ser projetado para manusear a peça específica ou as peças que devem ser movidas na aplicação. Incluídos dentro desta categoria estão as tarefas de (1) transferência de materiais e (2) abastecimento/desabastecimento de máquinas. Em quase todas as aplicações de manuseio de materiais, a peça a ser transportada deve ser apresentada ao robô com uma posição e orientação conhecida pelo mesmo, dentro da célula de trabalho. Se isto não acontece, a célula de trabalho deve ser equipada com sensores que identificam o posicionamento da peça e passam esta informação ao controlador do robô. Sistemas de visão bidimensionais ou tridimensionais também podem ser utilizados. 1.1 Transferência de materiais Essas aplicações são aquelas em que a principal finalidade do robô é simplesmente pegar peças em uma posição e colocá-las em outra. Em muitos casos, a reorientação da peça é realizada durante a tarefa. Transferir peças de uma esteira para outra é um exemplo. As exigências são modestas: um robô de baixa precisão e 3 ou 4 graus de liberdade pode ser utilizado, com uma configuração articulada ou cartesiana. Como a precisão necessária é baixa, robôs com acionamento pneumático podem também ser usados Paletização Um exemplo mais complexo de uma tarefa de transferência de materiais é a chamada paletização, na qual o robô busca peças, caixas de papelão ou outros objetos de uma localização (geralmente uma esteira onde as peças são apresentadas serialmente) e os deposita sobre um pallet ou contêiner, em posições seqüenciais de forma a se formar uma pilha ordenada destes objetos. Este arranjo é mostrado na figura abaixo. Geralmente o ponto de busca da peça ou caixa é o mesmo para cada ciclo, mas a localização de depósito do material muda à medida que o arranjo vai sendo formado. O robô deve então ser capaz de calcular as coordenadas cartesianas de destino do material, e também a sua orientação, baseadas nas dimensões do pallet e de cada peça ou caixa. 3

4 A figura acima mostra uma célula automatizada para paletização de caixas. O robô possui um órgão terminal dotado de ventosas que suspende cada caixa pela parte superior. As caixas chegam sobre uma esteira, em série, e um sensor indica a presença de uma caixa neste ponto da esteira. Neste momento o robô movimenta a caixa e coloca-a sobre o pallet. À medida que a pilha de caixas vai sendo formada, o programa de instruções presente no controlador do robô incrementa um contador de caixas e as coordenadas de destino do robô sobre a pilha vão sendo re-calculadas, até a pilha ser formada na sua totalidade. Neste momento o pallet é removido da estação, usualmente através de uma empilhadeira comandada por um operador. Distâncias de transporte de diversos metros são comuns. A altura total da pilha pode chegar a 2 metros, dependendo do produto e da rigidez da carga. Cargas de até 300 quilos podem ser transportadas. A precisão e repetibilidade de robôs manipuladores dotados de motores elétricos nas juntas em geral é muito superior às necessárias para este tipo de tarefa. Assim, existem robôs dotados de acionamento hidráulico para este fim, que aumenta a potência de movimentação, mas diminui a precisão. O robô mais utilizado para este tipo de tarefa é o articulado de quatro eixos: três para posicionamento da carga e um para a orientação. O aspecto de um robô articulado de quatro eixos é diferente dos articulados utilizados em outras tarefas. Robôs deste tipo possuem conexões mecânicas que fazem com que o órgão terminal esteja sempre paralelo à base do pallet onde o produto será depositado. Quando grandes volumes de trabalho são necessários, robôs do tipo AS/RS (cartesiano, ou gantry) podem ser utilizados. Abaixo um exemplo de robô articulado de quatro eixos da ABB, modelo IRB 660, com capacidade de 180kg e alcance de 3,15m. 4

5 Dependendo da rigidez do produto a ser transportado, o órgão terminal pode ser formado por ventosas ou por garras laterais. O desenho do órgão terminal geralmente segue as especificações do produto a ser transportado, então existe certa inflexibilidade do sistema se as dimensões do produto mudam. Se existe na célula um magazine com diversos produtos diferentes a serem movimentados, é comum o uso de uma estação contendo vários tamanhos diferentes de órgão terminal. Neste caso, o robô deve ser dotado de mecanismos que permitam a rápida troca do órgão terminal de forma que esta etapa seja a mais rápida possível. As figuras abaixo mostram os três tipos de órgãos terminais comumente utilizados em tarefas de paletização. A primeira mostra uma espécie de garra formada por duas placas metálicas laterais, de forma que a aderência com o produto seja suficiente para movimentar o mesmo. Mais abaixo, à esquerda, é mostrado um tipo de órgão terminal que possui garras que se fecham sob o produto a ser transportado. Isto só é possível caso o produto seja apresentado ao robô através de esteiras dotadas de roldanas. Em geral a precisão necessária para o movimento e depósito do produto na pilha, neste caso, é muito baixa na ordem de 1 cm. Sacos de cimento, de ração animal ou de grandes quantidades de alimentos são produtos comuns para esta configuração. Abaixo e à direita é mostrado um órgão terminal formado por um conjunto de ventosas. Neste caso as dimensões do produto podem variar sem a necessidade de troca do órgão terminal. 5

6 1.1.2 Empacotamento A tarefa de empacotamento pode ser definida como uma combinação de paletização e montagem. Um conjunto de peças que podem ser diferentes é inserido dentro de uma caixa ou outro recipiente pelo robô. Em alguns casos, a posição e orientação de cada peça dentro da caixa são indefinidas, por isso o robô posiciona a peça sobre uma abertura superior do recipiente e simplesmente larga a mesma. O robô pode precisar também adicionar materiais de proteção dentro da caixa, como espumas e separadores, e também fechar e adicionar fitas adesivas ou estampas no final da operação. O tipo de robô utilizado neste caso é o articulado com quatro ou seis graus de liberdade. Se o produto a ser empacotado é pequeno e leve e ainda cada produto é apresentado ao robô de forma não estruturada, robôs delta podem também ser usados. Os produtos a serem empacotados podem ser frágeis, como gêneros alimentícios ou farmacêuticos. Assim, o uso de garras com pinças e acionamento pneumático torna-se proibitivo. Neste caso é preferível o uso de ventosas. Órgãos terminais para este tipo de tarefa são usualmente desenvolvidos com múltiplas funções, de acordo com a etapa do processo que está sendo desenvolvida. A primeira etapa consiste em movimentar uma caixa vazia para uma esteira ou plano. É nesta caixa que serão depositados os materiais. Em segundo lugar, os objetos a serem empacotados devem ser postos dentro da caixa. Por último, a caixa deve ser fechada e selada com fita adesiva. Se não for possível desenvolver um órgão terminal com múltiplas funções, uma estação para troca do órgão terminal deve existir. Neste caso, o robô deve ser capaz de realizar a troca entre um órgão e outro de forma rápida. A programação para este tipo de tarefa é simples visto que os pontos da trajetória do robô são discretos e não requerem precisão elevada. Sensores de presença são usados para identificar a presença de um item na esteira a ser empacotado. Um contador é desenvolvido no programa de forma a se obter sempre o mesmo número de produtos por caixa. Muitas vezes os produtos a serem empacotados são apresentados ao robô de forma desordenada na esteira. Assim, um sistema de visão pode ser utilizado de forma que o controlador do robô calcule as coordenadas da peça para movimentá-la até o recipiente de destino. Neste caso, a célula torna-se mais cara e a sua programação é mais complicada. Na figura acima, à esquerda, é mostrada uma célula automatizada para empacotamento de gêneros alimentícios. Dois robôs delta são utilizados. Os produtos são apresentados ao robô de forma desordenada 6

7 sobre uma esteira. Um sistema de visão identifica as coordenadas do produto, transmitindo estas informações para o robô, que utiliza ventosas para manipular o produto e colocá-lo em uma caixa. Não são necessários sensores binários de presença já que o próprio sistema de visão é utilizado para identificar a presença do produto na esteira. Um contador no programa de controle do robô identifica o momento de fechar a caixa atual e começar um novo empacotamento. À direita é mostrado um esquema de empacotamento utilizando um robô articulado de quatro juntas. O robô usa, como órgão terminal, ventosas para movimentar quatro produtos ao mesmo tempo e colocá-los em uma caixa. Os produtos são apresentados de forma ordenada, não sendo necessário um sistema de visão. Sensores binários foto-elétricos são usados para detectar a presença dos produtos na esteira. 1.2 Abastecimento de máquinas É muito comum o uso de robôs para realizar o abastecimento de máquinas de injeção, prensas, forjas, tornos e fresas. Nestes casos, o ambiente de trabalho não é nada propício a um ser humano, já que o mesmo é ruidoso, com altas temperaturas e o processo de manufatura gera gases que se inalados podem fazer mal à saúde do operador. Em aplicações de abastecimento de máquinas, o robô transfere peças brutas para dentro de uma máquina de manufatura, onde estas peças sofrerão algum processo de transformação. Os três casos possíveis são: (1) carga, (2) descarga, ou (3) carga e descarga. Os seguintes processos industriais ocorrem neste caso: 7 Fundição. O robô descarrega peças de uma máquina de fundição. Operações secundárias podem também ocorrer, como imersão das peças em água e remoção de rebarbas. Injeção de plástico. Esta tarefa é similar à fundição. O robô faz apenas o descarregamento das peças injetadas e as coloca em uma esteira ou suporte, de forma a fazer o posterior transporte das peças recém injetadas. Operações de usinagem. O robô carrega o material bruto para a máquina-ferramenta, espera o processamento da usinagem, e descarrega as peças modificadas da máquina. A mudança de formato e tamanho das peças antes e depois da usinagem pode causar complicações no projeto do órgão terminal do robô ou em sua movimentação. Garras duplas, capazes de manipular as peças em seus dois estados, podem ser utilizadas. Forjamento. O robô tipicamente carrega o lingote bruto e em alta temperatura para um molde, onde o material sofrerá conformação através de uma prensa hidráulica ou de um martelo de forja. Esta ação e as condições severas envolvidas no processo são problemas técnicos que necessariamente devem ser considerados na escolha do manipulador. Tratamento térmico. Em geral esta tarefa é simples, onde um robô carrega e descarrega peças ou um grupo delas de uma fornalha. Uma importante vantagem de se automatizar o abastecimento de máquinas com robôs é manter um ciclo de trabalho de máquina mais uniforme. Robôs eliminam a inconsistência de movimentos feitos por um ser humano e como resultado aumenta a qualidade do produto final. No processo de forja ou estampagem de peças, por exemplo, a formação da peça em seu estado final é bastante sensível às variações de temperatura do molde da máquina. Se a máquina é deixada aberta por tempos variáveis entre um ciclo de trabalho e outro, cada peça pode ter uma formação diferente, acarretando problemas de geometria e resistência no produto final.

8 A repetibilidade do manipulador robótico neste tipo de aplicação é crítica. Precisão não é um fator tão importante. O design do produto a sofrer o processo de manufatura pode necessitar modificações de forma a possuir pinos de localização e fixação para o órgão terminal do robô. A capacidade de carga do robô pode variar bastante, de poucos quilos até centenas de quilos, dependendo do material e das dimensões das partes a serem trabalhadas. O espaço para movimentação do robô e da peça dentro de uma máquina pode ser bastante limitado. Assim, robôs articulados de seis juntas são utilizados para estas tarefas, já que estes possuem maior destreza que outros modelos de robôs. O órgão terminal do robô é desenvolvido de acordo com a peça a ser trabalhada, e pode ser constituído de várias garras que se prendem em pontos específicos da peça, ou ainda de ventosas. Ele pode também ter dupla função. Além de manipular a peça a ser carregada/descarregada, o mesmo pode possuir a função de resfriar o molde da máquina entre um ciclo e outro, ou de aplicar lubrificantes. Em operações de injeção de plásticos, por exemplo, não existe peça a ser introduzida na máquina, mas apenas peça a ser descarregada. A programação do movimento do robô pode se tornar complicada à medida que o espaço para isto dentro de uma prensa ou forja é por vezes bastante limitado. Uma lógica de segurança deve ser criada para garantir a correta interface entre a peça a ser fabricada, o robô e a máquina da manufatura. Sensores foto-receptores podem ser utilizados ao redor da máquina para garantir que o robô está em segurança antes de a mesma iniciar a operação. A figura abaixo, à esquerda, mostra um robô articulado instalado sobre uma máquina injetora de plásticos. A figura à direita mostra um robô articulado posicionando a peça a ser usinada na castanha de um torno CNC. 8

9 2 Operações de processamento Em aplicações de processamento, o robô realiza alguma operação de processamento em uma peça, como retífica, remoção de rebarba, pintura, etc. Uma característica distinta desta categoria de aplicação é a de que o robô é equipado com algum tipo de ferramenta em seu órgão terminal. Para realizar o processo, o robô manipula a ferramenta em relação à peça durante o ciclo de trabalho. Em alguns casos, mais de uma ferramenta precisa ser usada, assim, um mandril de troca rápida precisa ser aplicado ao órgão terminal de forma que o tempo para a troca de ferramenta seja mínimo. Exemplos de aplicações neste caso incluem soldagem, pintura, polimento, furação, e outros processos que usam ferramentas acionadas em torno de um eixo de rotação. 2.1 Soldagem em arco Usada para fornecer soldas contínuas ao longo de um perfil, ou cordão de solda. A junta soldada por este processo é substancialmente mais resistente que a soldagem a ponto. O processo de solda em arco utiliza calor intenso produzido a partir de uma corrente elétrica entre um eletrodo e as partes de metal sendo soldadas, formando uma região chamada poça de fusão. Este local deve ser protegido por um gás inerte (uma mistura de argônio e oxigênio puro) a fim de estabilizar o arco elétrico e evitar a contaminação dos metais a serem fundidos por ar atmosférico, nitrogênio e vapor d água. Este processo é mais conhecido por soldagem por arco elétrico com gás de proteção (MIG metal inert gas welding) e é o tipo de soldagem em arco mais comum em aplicações robóticas. Durante a soldagem, o eletrodo consumível de metal é alimentado pelo controlador enquanto o robô move-se ao longo da trajetória de solda. O eletrodo pode ser composto de silício, manganês, carbono, e outras ligas. O processo de solda produz, com alta intensidade, raios ultravioleta (radiação UV-B), fumos tóxicos (óxido de ferro) e ruído, deixando o ambiente onde o processo é realizado altamente perigoso para um ser-humano. Além disso, correntes elétricas de alta intensidade são necessárias (o que cria risco de choques elétricos para o operador) e temperaturas elevadas são geradas, tornando o ambiente ainda mais perigoso. Os principais parâmetros de controle durante a soldagem são a velocidade de movimentação da ferramenta de solda e a sua configuração (posição e orientação) com relação às peças metálicas sendo soldadas. A velocidade com que o eletrodo é alimentado determina a quantidade de metal que será depositada na poça de fusão. A maioria dos processos automatizados de solda em arco são pré-programadas e repetitivas (fixed-cycle). Entretanto pode haver variações no posicionamento das peças a serem soldadas, dimensões, e localização do eletrodo com relação à região da solda. Existem métodos para correção em tempo real destes parâmetros, de forma a aumentar a qualidade do cordão de solda, chamados de rastreamento do cordão de solda (weld seam tracking). Nestes métodos, um sensor laser é posto próximo à ferramenta de solda, à frente dela. O sensor faz uma varredura da região a ser soldada e corrige o posicionamento da ferramenta à medida que o robô movimenta a mesma ao longo da trajetória de solda. Uma figura mostrando este método é mostrada abaixo. 9

10 Acima à esquerda é mostrada a ferramenta de solda precedida pelo sensor laser, que deve ser bem protegido pela proximidade do mesmo da região de operação. À direita, é mostrado o princípio de aquisição do perfil do poço de solda formado pelas duas partes a serem soldadas, a partir de um raio laser linear emitido na direção das peças. Métodos que utilizam a variação da corrente e tensão entre os eletrodos também existem para corrigir a trajetória de solda. Um método chamado through-the-arc é utilizado para aumentar a qualidade do cordão de solda fazendo o robô realizar movimentos em ziguezague ao longo da trajetória. A figura abaixo mostra um exemplo de uma estação automatizada para solda em arco. A estação foi desenvolvida pela RobotWorx ( utiliza de um robô Motoman SK6, um robô articulado de seis graus de liberdade, alcance de 1,9m e capacidade de carga de 6kg. A estação acima é composta de uma mesa rotativa onde as partes a serem soldadas são colocadas. Esta mesa é metálica para permitir a condução de corrente elétrica necessária para o processo de soldagem. Elementos de fixação (solenóides e pistões pneumáticos) são postos sobre a mesa e podem ser reposicionados conforme o tipo de peça a ser submetida ao processo de solda. Um lado fica exposto para o robô e ou outro fica exposto para o exterior da estação de solda, permitindo o manuseio das partes por 10

11 um operador. No interior, são usados componentes como estação de limpeza do bico de solda (permitindo manutenção preventiva automática da ferramenta) e exaustor de fumos. Na parte externa da mesa rotativa, sensores fotoelétricos são utilizados de forma a não permitir que a mesa seja acionada na presença de um operador na estação, garantindo a segurança do mesmo. Outro exemplo de robô utilizado em operações automatizadas de solda em arco é o ABB IRB 1600ID, mostrado abaixo. Robôs para esta aplicação comumente possuem aspectos construtivos bastante particulares. O punho esférico é desenhado de forma a permitir a passagem das tubulações e cabos da ferramenta de solda (energia, gás inerte e eletrodo) pelo interior do órgão terminal. É o que indica também o nome do robô: ID significa integrated dressing. Isto aumenta a destreza do robô e a capacidade de posicionamento da ferramenta com relação às partes a serem soldadas. Detalhe do punho esférico do IRB1600ID é mostrado abaixo, à direita. Robôs utilizados em processos de solda em arco devem ser capazes de executar trajetórias préprogramadas com precisão. O controle de velocidade é importante visto que isto influencia no perfil de solda. Robôs para esta aplicação devem possuir bom alcance e destreza, sendo assim, modelos articulados de seis graus de liberdade são os mais utilizados. Normalmente não há força exercida pelo órgão terminal contra as partes sendo soldadas. Ainda, a ferramenta de solda não possui peso excessivo (menos de 10kg), então a capacidade de carga do robô não precisa ser elevada. 2.2 Soldagem a ponto A aplicação mais difundida para robôs na indústria automotiva é a solda a ponto. Neste processo, as peças (duas lâminas de metal) são pressionadas uma contra a outra, por meio de eletrodos não consumíveis, fazendo passar por estes eletrodos uma corrente elétrica de intensidade elevada. É gerada uma quantidade de calor concentrada no ponto de contato dos dois eletrodos, que é proporcional ao tempo, corrente e resistência elétrica (Lei de Joule). Esta quantidade de calor (em torno de 1300 C) deve ser suficiente para fazer com que os dois metais atinjam o ponto de fusão. Os eletrodos são mantidos em contato até que os metais se solidifiquem, agora já fundidos e soldados. No processo, ruído e faíscas são gerados, o que torna o ambiente de soldagem inapropriado para o ser-humano. Na figura abaixo, é mostrada a secção transversal de duas lâminas de metal soldadas com soda a ponto. 11

12 Os parâmetros do processo de solda, como pressão e temperatura, são controlados pelo controlador do equipamento de solda, separado do controlador do robô. Repetibilidade, precisão e destreza são características essenciais para robôs que realizam esta tarefa: repetibilidade e precisão, pois os pontos devem ser consistentes e destreza pois o órgão terminal precisa ser posicionado em regiões com acesso limitado (em meio a uma carroceria de automóvel, por exemplo). Em face disto, o volume de trabalho do manipulador deve ser grande (em torno de 2m). A capacidade de carga do robô precisa ser elevada já que a ferramenta de solda possui peso elevado (em torno de 100kg). A programação do robô para este tipo de tarefa pode ser feita off-line (em um ambiente de simulação), mas tipicamente a baixa precisão que é característica de robôs manipuladores com um grande volume de trabalho torna necessário um ajuste desta programação no ambiente real, através do processo de teach programming. Neste processo a repetibilidade do robô é importante. Robôs articulados de seis graus de liberdade são comumente utilizados em processos de solda a ponto. Para aumentar a destreza do robô em configurações mais diversas, robôs de sete graus de liberdade existem, como o Motoman VS50 ( mostrado na figura abaixo à esquerda. À direita, o robô IRB7600, da ABB, com alcance de 2,55m e capacidade de carga de até 400kg. Em linhas de produção em série de uma indústria automotiva, os robôs são postos nas laterais da linha. As peças de trabalho (carrocerias) são movidas em série, uma após a outra, de forma a posicionar a mesma na célula de trabalho. Podem existir várias células de trabalho também em série, que realizam o mesmo procedimento de trabalho, ou até outra seqüência de pontos. 12

13 2.3 Revestimento pulverizado Neste processo, uma pistola direciona material pulverizado no objeto a ser trabalhado. O fluido (na maioria das vezes, tinta) sai através do bico da pistola pulverizadora para ser disperso e aplicado na forma de uma fina camada sobre a superfície do objeto. Pintura é o tipo de aplicação mais comum dentro desta categoria, que em geral refere-se a uma gama mais ampla de aplicações. Além da tinta para pintura, outros tipos de materiais podem ser utilizados no processo, como vernizes, isolantes e anti-corrosivos. A automatização de processos de pintura é muito utilizada na indústria automotiva, onde as partes a serem pintadas possuem grandes dimensões. Cabines de pintura são geralmente ambientes não recomendados para seres-humanos devido à presença de gases tóxicos e inflamáveis. O processo de pintura deve ser feito de forma homogênea ao longo de toda a peça a ser pintada, e a superfície de pintura muitas vezes é irregular e de geometria complexa. Além de proteger trabalhadores contra gases nocivos à saúde, a automatização deste processo através de robôs manipuladores traz outros benefícios, os quais incluem maior qualidade do produto final, maior uniformidade da camada de material depositado, redução da quantidade de material utilizado e um menor ciclo de trabalho. Solventes e partículas em suspensão em conjunto de faíscas provenientes de motores elétricos podem invariavelmente causar combustão. Robôs hidráulicos eram utilizados para contornar este problema, mas atualmente utilizam-se motores sem escovas, eliminando a geração de faíscas elétricas. Robôs utilizados em processos de pintura são em geral desenvolvidos para este fim. Eles possuem longo alcance, baixa capacidade de carga e repetibilidade elevada, podendo exceder ±0.2 mm. Robôs de pintura são tipicamente articulados com seis graus de liberdade, e podem ter eixos adicionais de forma a aumentar a destreza do manipulador e permitir a execução de trajetórias complexas. Um exemplo de robô utilizados em operações de pintura é o modelo IRB5500 FlexPainter da ABB, mostrado na figura ao lado. Ele possui características próprias para esta aplicação, como um grande volume de trabalho (alcance de 2,8m) e capacidade de carga de 13kg, suficiente para suportar o peso do órgão terminal. Relatos indicam uma economia de 35% em consumíveis ao utilizar-se este robô em operações de pintura. A figura abaixo mostra uma cabine de pintura de uma indústria automotiva. 13

14 2.4 Corte A operação de corte consiste em trabalhar com uma peça laminar em formato inteiriço e remover material desta peça de acordo com um contorno pré-determinado. Este contorno por vezes é complexo e irregular. Sendo assim, o uso de robôs para realizar uma tarefa de corte torna-se interessante. Em princípio, processos automatizados de corte não produzem ambientes perigosos para o ser humano. A regularidade com que um robô é capaz de realizar esta tarefa é o principal atrativo da automatização de processos de corte. Além da trajetória de corte, a força e a velocidade da tarefa também são aspectos a serem controlados. Robôs utilizados para este fim estão associados, geralmente, aos seguintes processos de corte: Corte a laser. Usualmente aplicado no corte de lâminas de metais de até 0,5 polegada. Raio laser concentrado eleva a temperatura do metal e um jato de gás remove o material cortado. Corte a jato d água. Um jato d água de altíssima velocidade e pressão é forcado contra um pequeno orifício de cerca de 0,5 mm. Utilizado em não-metais. Em metais, é utilizado quando se necessita manter as propriedades mecânicas da peça (visto que a mesma não é submetida a temperaturas elevadas). 14

15 Jato abrasivo. Um composto abrasivo é adicionado ao jato d água de alta pressão para aumentar a capacidade de corte. Pode ser utilizado em metais e outros materiais mais resistentes. A espessura de corte pode ser de cerca de 1 polegada, mas corte de materiais de até 6 polegadas já foram reportados. Corte com arco de plasma. Um arco elétrico é formado entre o metal a ser cortado e um eletrodo. Temperaturas elevadas são geradas de forma concentrada, fazendo o metal derreter. Comumente utilizado em chapas de aço. Corte a faca. Método utilizado para corte de não-metais. Facas ultra-sônicas podem ser utilizadas, aumentando a sua precisão e capacidade de corte devido à vibração em alta freqüência aplicada ao instrumento. O controle do posicionamento da ferramenta de corte com relação ao material a ser cortado e também a trajetória de corte devem ser precisamente controlados. Outros parâmetros de controle incluem direção do jato, velocidade de movimentação e ângulo do arco. Estes parâmetros devem ser regulados conforme as características do material a ser submetido ao processo de corte. Um caso extremo de corte automatizado envolve a combinação de material de pouca espessura e facilmente cortante com uma superfície complexa e baixa tolerância geométrica. Isto requer o movimento preciso e em velocidade elevadas do órgão terminal do manipulador, traduzindo-se em alta performance dos atuadores das juntas de forma a possuírem precisão de velocidade e resposta mecânica rápida. Usualmente, programação CAD/CAM é utilizada para o planejamento da trajetória de corte e de seus parâmetros, e a programação dos movimentos do robô. Quando precisão extrema é necessária (por exemplo, em aplicações aero-espaciais), elementos de fixação (guias) ao longo dos movimentos podem ser utilizados para guiar o instrumento de corte, de forma a garantir erro nulo na trajetória de corte. No caso de métodos de corte onde existe contato entre o material sendo cortado e o órgão terminal, o manipulador deve ser capaz de suportar forças de reação causadas por este contato e compensá-las de forma a não causar erros na trajetória de corte. Robôs utilizados para corte de material podem ser, nos processos mais simples, cartesianos de três eixos. Nestes casos, a superfície a ser trabalhada é plana. A cinemática e dinâmica de um manipulador cartesiano é simplificada, ou seja, o cálculo da trajetória da ferramenta de corte, bem como a trajetória da velocidade, é calculado de forma simples. Para superfícies de corte mais complexas, robôs cartesianos dotados de punho esférico podem ser utilizados. Robôs articulados de seis graus de liberdade podem ser usados quando a precisão necessária não é alta, como por exemplo, no corte de carpete de automóveis ou corte de rebarbas em moldes plásticos. Abaixo alguns exemplos de processos industriais automatizados de corte. À esquerda, um grande robô cartesiano utilizado para corte de chapas planas de metal e à direita um robô articulado equipado com ferramenta de corte a jato d água. 15

16 2.5 Acabamento Poucos processos de conformação e/ou transformação de material produzem uma peça já totalmente acabada. A maioria dos processos de manufatura deixa rebarbas e arestas que devem ser removidas por processos posteriores de acabamento. Operações de fresamento em superfícies de geometria complexa deixam marcas provenientes da ferramenta que precisam também ser removidas. Chapas soldadas tendem a provocar ondulação e deixam marcas de solda que precisam ser totalmente removidas de forma a formar uma superfície única e homogênea. Enfim, partes submetidas a algum processo de manufatura invariavelmente necessitam de um póscondicionamento, sejam com operações subseqüentes de manufatura, como polimento, ou ainda com o seu revestimento por compostos químicos como tintas e isolantes. A superfície a ser trabalhada pode não possuir uma geometria bem definida, ou seja, considerando um processo de polimento utilizando um manipulador robótico, a pressão exercida pela ferramenta contra a superfície será variável. Para partes de grandes dimensões, a ferramenta de acabamento é afixada no robô como um órgão terminal. Para peças pequenas, a ferramenta de polimento é fixa e o robô manipula a parte, movimentando a mesma contra a ferramenta. Em qualquer um dos casos, a destreza e precisão do robô são importantes, pois o mesmo deve manter a mesma pressão relativa entre o robô e a parte sendo acabada. A trajetória com que o robô percorre também é essencial de forma a otimizar o processo de acabamento, deixando a superfície ou peça com um aspecto homogêneo. Robôs articulados de cinco graus de liberdade são usualmente utilizados para operações de acabamento de superfícies planas. Quando a geometria é complexa, robôs de seis graus de liberdade (ou mais) são usados de forma a aumentar a sua destreza. A capacidade de carga do robô deve ser proporcional às forças de reação que o processo de acabamento exerce contra o mesmo. Geralmente ferramentas anexadas 16

17 ao órgão terminal são pesadas, sendo utilizados robôs de tamanhos médios ou grandes. Vibrações causadas pelo processo no robô tendem a diminuir a vida útil do mesmo. Processos de acabamento de superfícies em geral utilizam procedimentos abrasivos. Logo, não só o controle da trajetória é importante, mas também da força que a ferramenta exerce contra a parte sendo trabalhada. A figura abaixo mostra um órgão terminal que possui um atuador pneumático servocontrolado que é capaz de regular a pressão exercida durante o processo de acabamento. 3 Montagem e inspeção Em certos pontos, montagem e inspeção são misturas das duas categorias vistas anteriormente: manuseio e processamento de materiais. Aplicações de montagem e inspeção podem envolver o manuseio de materiais ou a manipulação de uma ferramenta. Por exemplo, operações de montagem normalmente envolvem a adição de outros componentes para a fabricação de um produto. Isso exige o movimento de peças de um local de suprimento no espaço de trabalho para o produto sendo montado. Em alguns casos, a fixação dos componentes exige que a ferramenta seja usada pelo robô (soldar, aparafusar, etc.). Similarmente, algumas operações de inspeção exigem que peças sejam manipuladas, enquanto outras exigem que a ferramenta de inspeção (sensor, câmera) seja movimentada ao longo do percurso que se deseja inspecionar. Tradicionalmente, montagem e inspeção são atividades intensas de trabalho, altamente repetitivas e tediosas. Por estas razões, justifica-se o uso de manipuladores robóticos nestes tipos de aplicação. Entretanto, o trabalho de montagem tipicamente envolve tarefas diversas e às vezes difíceis, exigindo constantes ajustes em peças que não estejam se encaixando bem. O sentido do tato é muitas vezes necessário para se conseguir o encaixe devido das peças. O trabalho de inspeção exige alta precisão e paciência, e o julgamento humano é muitas vezes necessário para determinar se um produto está dentro 17

18 das especificações de qualidade ou não. Devido a estas complicações em ambos os tipos de trabalho, a aplicação de robôs não tem sido fácil. Contudo, os resultados potencialmente positivos são tão grandes que esforços substanciais estão sendo feitos para desenvolver as tecnologias necessárias para alcançar o sucesso nestas aplicações. 3.1 Montagem Envolve a combinação de duas ou mais peças para formar uma nova entidade, chamada de sub-montagem ou montagem. A nova entidade torna-se segura com a fixação simultânea das partes, baseada no uso de técnicas de fixação mecânicas (parafusos, rebites, etc.) ou processos de junção (soldagem, colagem, etc.). Aplicações robóticas em soldagem já foram vistas anteriormente. Devido à importância econômica da montagem, métodos automatizados são seguidamente aplicados. A automação rígida é apropriada à produção em massa de produtos relativamente simples. Robôs normalmente estão em desvantagem nessas situações de alta produção por que não operam nas altas velocidades alcançadas por equipamentos de automação rígida. A aplicação mais interessante de robôs manipuladores industriais para tarefas de montagem é em situações nas quais uma mistura de produtos ou modelos similares é produzida na mesma célula de trabalho. Nesses casos, a configuração básica dos diferentes modelos é a mesma, mas pode haver variações de tamanho, formato, cor ou outras características. Tais produtos são seguidamente fabricados em um conjunto mínimo de unidades chamado lote. As peças dentro deste lote não possuem variações, mas pode haver variações pequenas de lote para lote, como citado anteriormente. O tempo necessário para re-configurar a máquina de produção entre um lote e outro de produtos é chamado de tempo de set-up. É desejável que o tempo de set-up seja muito pequeno de forma que o tempo de não-produção daquela célula seja mínimo. Nestes casos, robôs industriais levam vantagem, pois podem ser facilmente reprogramados de forma a fabricar qualquer modelo do produto com um tempo de set-up praticamente inexistente. Robôs utilizados para operações de montagem são tipicamente pequenos, com baixa capacidade de carga. Robôs articulados podem ser utilizados, mas a configuração mais comum é do tipo SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm). Robôs deste tipo possuem quatro graus de liberdade. A terceira junta é linear e vertical de forma a realizar operações pick and place de forma rápida e precisa. A figura abaixo mostra o robô Adept Cobra i800, com alcance de 800mm e capacidade de carga de 2 kg ( Exigências de precisão em trabalhos de montagem são freqüentemente mais rigorosas do que em outras aplicações de robôs. Alguns robôs mais precisos nessa categoria têm repetibilidade na ordem de 0,05 mm. Além do robô em si, as exigências do órgão terminal são também rigorosas. O órgão terminal pode ter de desempenhar múltiplas funções em uma única estação de trabalho para reduzir o número de robôs exigidos na célula. Essas funções múltiplas podem incluir o manuseio de mais de um formato de peça e o 18

19 desempenho de funções tanto de garra como de ferramenta de montagem automática. 3.2 Inspeção Em sistemas de montagem e produção automatizada, freqüentemente há a necessidade de inspecionar o trabalho previamente realizado. Inspeções têm as seguintes funções: (1) certificação que um determinado processo foi completado, (2) garantia de que as peças foram adicionadas a algum processo de montagem e (3) identificação de falhas em matérias primas ou em peças terminadas. Um exemplo de um manipulador articulado realizando uma tarefa de inspeção é mostrado abaixo. Tarefas de inspeção desempenhadas por robôs industriais podem ser divididas nos dois casos a seguir: 1. O robô realiza tarefas de carga e descarga para dar apoio a uma máquina de inspeção ou testes. Este caso se encaixa também na classificação de tarefa de carga e descarga de máquinas, vista na Seção 1.2, onde a máquina, neste caso, é utilizada para inspeção de peças. O robô pega peças ou conjuntos que entram na célula, e as descarrega após o processo de inspeção ter sido realizado. O robô devolve então a peça para a linha de produção. Em alguns casos, a inspeção pode resultar na escolha de peças que tem de ser realizada pelo robô. Dependendo do nível de qualidade das peças, o robô as coloca em diferentes recipientes ou transportadores de saída. Neste último caso, a tarefa de inspeção expande-se também em uma tarefa de seleção, ou separação de peças em conjuntos, onde todos os produtos dentro de um conjunto são idênticos; 2. O robô manipula um dispositivo de inspeção, como uma sonda mecânica, para testar o produto. Esse caso é similar à operação de processamento no qual o órgão terminal fixado ao robô é a ferramenta ou sonda de inspeção. Outras ferramentas de inspeção utilizadas comumente são sistemas de visão 2D e 3D e sensores infra-vermelhos 1D e 2D. Para a realização da tarefa, a peça tem que ser apresentada na estação de trabalho na posição e orientação corretas, e o robô tem de manipular o dispositivo de inspeção conforme exigido. 19