PROCESSOS DE SOLDAGEM: MANUAL, MECANIZADOS E AUTOMATIZADOS

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1 PROCESSOS DE SOLDAGEM: MANUAL, MECANIZADOS E AUTOMATIZADOS Profa. Ivanilza Felizardo, Dra PROCESSOS DE SOLDAGEM: MANUAL, MECANIZADOS E AUTOMATIZADOS 1. INTRODUÇÃO Pode-se dizer que a soldagem é o processo industrial mais importante na união de materiais. Quando se busca maior produtividade, maior qualidade e redução do tempo de execução e mão-de-obra, quase que intuitivamente, se pensa na soldagem robotizada. Ressalta-se, entretanto, que não somente com a robotização dos processos de soldagem é possível obter os ganhos supracitados. Estes também podem ser obtidos por meio da mecanização ou da automatização, porém, neste caso, sem a utilização de robôs. Na busca destes ganhos e considerando o custo-benefício, se faz necessário saber quando que o processo de soldagem deve ser mecanizado e quando deve ser automatizado e se para esta automatização é necessário à utilização ou não de robôs industriais. Para isto é fundamental saber diferenciar uma mecanização de uma automação com ou sem a utilização de robôs industriais. 2. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE SOLDAGEM 2.1. Métodos de Aplicação da Soldagem Definidos pela American National Standard A classificação dos processos de soldagem, de acordo com os métodos de aplicação, é baseada na variação do grau de controle das atividades relacionadas ao processo que dependem da interferência humana. Estes métodos de aplicação são definidos pela American National Standard Standard Welding Terms and Definitions, AWS A3.0:2001, como manual, semi-automático, mecanizado, automático, robótico e com controle adaptativo, Tabela 2.1. A soldagem manual é definida, pela American National Standard como soldagem com tocha ou porta-eletrodo segura e manipulada pela mão do humano. Todas as tarefas, relacionadas com a execução e controle contínuo da soldagem, são feitas através das mãos do humano, são de responsabilidade do soldador. Soldagem semi-automatizada é definida como soldagem manual com equipamento que controla automaticamente uma ou mais condições de soldagem. O soldador manipula a tocha de soldagem para criar a solda enquanto que o arame/eletrodo é automaticamente alimentado pela máquina. Soldagem mecanizada é definida como soldagem com equipamento que requer ajustes manuais no controle do equipamento em resposta à observação visual da soldagem, com tocha ou porta-eletrodo segura por um dispositivo mecânico. A intervenção do soldador

2 consiste em ajustar os controles do equipamento em função de sua observação visual da operação. Soldagem automatizada é definida como soldagem com equipamento que requer somente observação ocasional ou nenhuma observação da solda e nenhum ajuste manual nos controles do equipamento. O envolvimento do soldador é limitado a ativar a máquina para iniciar o ciclo de soldagem e observar a solda sob uma base intermitente. Soldagem robotizada é definida como soldagem que é executada e controlada por um equipamento robótico. Tanto na soldagem robotizada quanto na automatizada, o operador tem um papel ativo no controle da qualidade da solda por meio de identificar descontinuidades na solda. Quando estas são encontradas, providências em manutenção e programação são tomadas para corrigir tais problemas. Soldagem com controle adaptativo é definida como soldagem com equipamento que possui um sistema de controle que automaticamente determina mudanças nas condições de soldagem e atua sobre o equipamento para que a ação apropriada seja executada. Neste processo, sensores são utilizados para detectar problemas e o controle realiza as mudanças necessárias nos parâmetros de soldagem, em tempo real, para produzir soldas de qualidade. Assim, a soldagem é executada e controlada sem a intervenção ou supervisão do operador. Tabela 2.1 Método de aplicação dos processos de soldagem. Método de Aplicação Manual Semiautomático Mecanizado Automático Robotizado Controle Adaptativo Atividades Abertura e manutenção do arco Alimentação do arame/eletrodo Controle do calor para obter penetração Movimento do arco ao longo da junta Guiar o arco ao longo da junta Manipular a tocha para direcionar o arco Correções do arco para compensar desvios Humano Máquina Máquina Máquina Máquina Máquina (com sensor) (Robô) Humano Máquina Máquina Máquina Máquina Máquina Humano Humano Máquina Máquina Máquina (com sensor) Humano Humano Máquina Máquina Máquina (com sensor) Humano Humano Humano Máquina Máquina (via trilha pré (com sensor) programada) Humano Humano Humano Máquina Máquina (com sensor) Máquina (Robô) (só com sensor) Máquina (Robô) Máquina (Robô) (só com sensor) Máquina (Robô) Humano Humano Humano Não ocorre Máquina (com sensor) Máquina (Robô) (só com sensor) Fonte: Cary, H.B., 1994

3 2.2 Valor do Julgamento Parte 1 De acordo com a classificação apresentada, o processo de soldagem com eletrodo revestido é manual, visto que o soldador é responsável pela execução de todas as atividades. Já o processo GMAW (MIG/MAG), é semi-automático. Essa classificação dá-se ao fato da abertura e manutenção do arco elétrico e a alimentação do arame serem executadas pela máquina, enquanto que o deslocamento da tocha de soldagem fica sob responsabilidade do soldador. Quando esse deslocamento é realizado por um dispositivo mecânico, o processo passa a ser classificado como mecanizado. Em manufatura, o termo automação significa que algumas ou todas as funções ou passos de uma operação são executadas e controladas, em sequência, por meios mecânicos e/ou eletrônicos. A automação envolve mais que equipamentos ou controle por computador e pode ou não incluir o carregamento e descarregamento do componente da operação. A automação pode ser parcial, com certas funções ou passos executados manualmente (automação parcial), ou pode ser total, onde todas as funções ou passos são executados pelo equipamento, numa certa sequência, sem qualquer ajuste feito pelo operador (automação total). Independentemente do grau de automação, seu objetivo consiste na diminuição do custo de manufatura, por meio de uma redução do número de pessoas envolvidas diretamente na produção e no aumento da produtividade e da qualidade do produto final, por meio do controle mais racional dos parâmetros do processo. Um equipamento automatizado pode ser projetado e programado para realizar uma única tarefa (automação fixa), ou pode ser flexível que, mediante reprogramação, permite a realização de tarefas distintas de acordo com o produto a ser manufaturado (automação flexível). Por definição, automação significa: operação de controle automático de um equipamento, processo ou de um sistema, por meios mecânicos ou eletrônicos, substituindo a observação, os esforços e a decisão humana. Com base nos conceitos de automação e controle, ao se classificar um processo como semiautomatizado, imagina-se imediatamente que esse está próximo de ser automático e não mecanizado, como acontece com os métodos de aplicação dos processos de soldagem como definidos pela American National Standard Parte 2 A primeira etapa a ser realizada para estabelecer o grau de automação de um processo, é definir as atividades relacionadas a ele, visto que é em função dessas, que o responsável pela execução (agente executor), pelo controle (agente controlador) e em dar sequência às atividades (agente sequencial) são definidos. Além disso, devem-se definir quais atividades devem ser tratadas como isoladas e quais devem ser incluídas no ciclo de operação do processo. Essas definições devem-se ao fato que o termo automação significa que algumas ou todas as funções ou passos de uma operação são executados e controlados, em sequência, por meios mecânicos e/ou eletrônicos.

4 Nos processos de soldagem a arco elétrico, a primeira atividade a ser realizada para executar uma solda é especificar qual o procedimento de soldagem a ser utilizado, também conhecido por EPS Elaboração do Procedimento de Soldagem. De uma maneira geral, em função do tipo de material a ser soldado (composição química, espessura e posição de soldagem) define-se o processo de soldagem a ser utilizado. Em função dessa escolha e do formato do cordão de solda que se deseja obter, os parâmetros de soldagem relacionados ao processo (tipo e magnitude da corrente de soldagem, tensão do arco, tipo de polaridade, stick out, velocidade de soldagem, tipo e diâmetro do material de adição, tipo e vazão do gás de proteção, sequência de soldagem, etc) são definidos. O agente executor, controlador e sequencial de uma EPS é o humano. Mesmo que ele utilize algum programa computacional que o auxilie na escolha dos parâmetros ou mesmo que alguns desses não necessitem de especificação prévia (por serem auto-ajustados pela máquina), o poder de decisão de como será feita a EPS e de quando a soldagem iniciará está nas mãos do humano. Entre a EPS e o início da soldagem, propriamente dito, é necessário um intervalo de tempo para que o procedimento seja preparado. Atualmente, essa preparação ocorre independe do método de aplicação a ser utilizado e interferências diretas do humano são necessárias. Ainda não existe um sistema de soldagem que tenha a ele acoplado um sistema que possa realizar uma EPS, e a partir dessa elaboração, iniciar imediatamente a soldagem. Tem-se ainda o fato que esse sistema deveria ser universal, visto que entre os parâmetros a serem determinados numa EPS está a escolha do processo de soldagem a ser utilizado. Sendo, portanto, conveniente que tais atividades (EPS e preparação para iniciar a soldagem) sejam tratadas como isoladas, visto o grau de interferência humana envolvida. As atividades relacionadas ao ciclo de soldagem, que devem definir o grau de automação do processo, devem ser as que permitem uma sequência instantânea do processo. A maneira mais fácil de relacionar tais atividades é associá-las a um processo de soldagem. É inquestionável que o método convencional de aplicação da soldagem com eletrodo revestido é manual. Para iniciar essa soldagem, após as devidas preparações, o soldador deve aproximar a extremidade do eletrodo revestido do metal base, tocá-lo e em seguida, afastar o eletrodo do metal a uma distância pré-determinada, para que o arco elétrico possa ser estabelecido. Para dar sequência ao processo, o soldador desloca o eletrodo sobre a junta a ser soldada e ao mesmo tempo o aproxima da mesma, para que o comprimento do arco elétrico seja mantido constante durante toda a operação, visto que o eletrodo revestido é consumível e sua alimentação depende dessa aproximação. Para finalizar o ciclo de soldagem, o soldador afasta rapidamente o eletrodo do metal de base, interrompendo o arco elétrico. O agente executor e controlador de todas as atividades relacionadas ao ciclo de soldagem no processo SMAW é o humano, além de ser o agente sequencial da operação. De acordo com a classificação definida pela American National Standard, um exemplo típico de um processo de soldagem semi-automático é o GMAW. Para iniciar essa soldagem, também após as devidas preparações, o soldador deve aproximar a tocha de soldagem do metal de base, estabelecendo uma distância desejada. Em seguida, o soldador pressiona o gatilho existente na tocha para que a alimentação do arame seja liberada pela máquina. Quando a ponta do arame toca o metal, o arco elétrico é estabelecido. Para dar sequência ao processo, o soldador inicia o deslocamento da tocha sobre a junta, enquanto que a alimentação

5 do arame continua sendo liberada pela máquina. Para finalizar a operação, o soldador libera o gatilho da tocha, e a máquina interrompe a alimentação do arame, e consequentemente, o arco elétrico. Nesse processo a abertura e a interrupção do arco elétrico estão associadas à alimentação do arame, que é executada pela máquina (agente executor). Porém quem decide o momento dessa alimentação iniciar e ser interrompida é o humano (agente controlador e sequencial), visto que ele precisa pressionar o gatilho existente na tocha e mantê-lo pressionado durante toda a soldagem. Tem-se que se durante o deslocamento da tocha de soldagem, que tem como agente executor e controlador o humano, se o soldador variar o stick out, dentro de certos limites, a máquina altera a velocidade de alimentação do arame para que o comprimento do arco elétrico seja mantido constante. Pelo fato de existir processos de soldagem a arco que utilizam eletrodos não consumíveis, incluir a atividade de alimentação do arame/eletrodo na relação das que definem o grau de automação do processo é limitar essa classificação aos processos que utilizam eletrodo consumível. Além disso, independente do eletrodo ser consumível ou não, mais importante que estabelecer como ocorre à alimentação do arame é definir quem é o responsável pelo deslocamento da tocha de soldagem durante o processo. Pois, é em função desse deslocamento que parte das atividades relacionadas ao processo são definidas. Visto que a automação poder ser parcial, isto é, parte da operação é executada e controlada, em sequência, pela máquina e parte, manualmente, classificar o método de aplicação convencional do processo GMAW, conforme descrito acima, como semi-automático é o mesmo que dizer que seu grau de automação é parcial, visto que as palavras semi e parcial são sinônimos. Essa classificação foi adotada em função da alimentação do arame ser executada pela máquina, diferentemente do processo com eletrodo revestido que é o soldador que a faz. Porém, nenhuma das atividades, relacionadas ao ciclo de soldagem do processo GMAW convencional, são executadas e controladas, em sequência, pela máquina. Portanto, dentro dos conceitos de automação e controle, classificar o método de aplicação convencional do processo GMAW como semi-automático está errado (Felizardo et al. 2006). 2.3 MANUAL versus MECANIZAÇÃO versus AUTOMAÇÃO Uma mudança gradual na classificação dos processos de soldagem entre manual e automatizado pode ser: manual, semi-mecanizada, mecanizada, semi-automatizada e automatizada. Assim, dizer que um processo é semi-automatizado significa que algo está faltando para que o processo se torne automatizado e não mecanizado. Desde o surgimento dos processos de soldagem que sua execução depende muito da habilidade do soldador. Com o desenvolvimento tecnológico adquirido nas últimas décadas, observa-se uma mudança gradual, não somente na soldagem, como em todo e qualquer processo fabril, da operação manual para a mecanizada e dessa para a automatizada, agregando ganhos qualitativos e quantitativos ao processo. Porém, nas operações de soldagem ainda não está bem definida a fronteira entre manual, mecanizado e automatizado. A questão então é: quando um processo de soldagem deve ser classificado como manual, mecanizado ou automatizado?

6 Das atividades relacionadas ao ciclo de soldagem, pode-se citar: abertura, manutenção e interrupção do arco elétrico; alimentação do arame eletrodo e deslocamento da tocha portaeletrodo. Essa última engloba o controle do calor para obter penetração; movimento do arco ao longo da junta; guiar o arco ao longo da junta e manipular a tocha para direcionar o arco, conforme atividades descritas na Tabela 2.1, além de influenciar na manutenção constante do comprimento arco elétrico. Há uma diferença muito significativa quando o deslocamento da tocha porta-eletrodo é executado pelo soldador e quando esse deslocamento é executado por um dispositivo mecânico. Inclusive, pode-se estabelecer que a fronteira entre a soldagem manual da mecanizada está no responsável pelo deslocamento da tocha porta-eletrodo durante o processo. Tem-se que independente do nível de sofisticação do equipamento de soldagem utilizado, se esse deslocamento é executado pelo soldador, o método de aplicação desse processo é manual: durante a soldagem, a tocha porta-eletrodo é segura e manipulada pelo humano. Entretanto, quando o deslocamento é feito por um dispositivo mecânico, condições extras devem ser consideradas para determinar se o método de aplicação do processo é mecanizado ou automatizado. Além disso, o método de aplicação ainda pode ser semimecanizado ou semi-automatizado, considerando uma mudança gradual entre manual e automatizado. Na soldagem com eletrodo revestido, o dispositivo mecânico utilizado para deslocar o portaeletrodo, propicia a realização do método conhecido como soldagem por gravidade, Figura 2.1. Conforme apresentado nessa figura, o porta-eletrodo (a) se desloca por uma barra-guia (b), devido à ação da gravidade, à medida que o eletrodo (c) é consumido. Para realizar essa soldagem, após a etapa de preparação, interferência humana ocorre somente para iniciar e finalizar o ciclo de soldagem. Na soldagem por gravidade com eletrodo revestido, o agente controlador da velocidade de deslocamento do porta-eletrodo é a própria gravidade, não há nenhum dispositivo mecânico responsável por esse controle. Figura 2.1. Dispositivo para a soldagem por gravidade. Com o processo GMAW, duas concepções de dispositivo mecânico podem ser utilizadas para deslocar a tocha de soldagem: com controle manual ou com controle mecânico da velocidade de deslocamento do dispositivo. Na primeira concepção é necessário que o operador empurre o dispositivo para que o deslocamento da tocha seja realizado. Nesse caso, o agente executor do deslocamento da tocha é a máquina, porém o controlador da velocidade

7 de soldagem é o humano. Na segunda concepção, visto que a velocidade de deslocamento do dispositivo é determinada mecanicamente, tanto o agente executor do deslocamento quanto o controlador da velocidade de soldagem são a máquina. De acordo com o exposto acima, o fato do deslocamento da tocha porta-eletrodo ser executado por dispositivo mecânico é necessário, porém, não suficiente para classificar um processo como mecanizado. Deve-se considerar quem é o agente controlador da velocidade de deslocamento desse dispositivo, que na verdade consiste na velocidade de soldagem: controle manual ou pela gravidade (processo semi-mecanizado) ou controle mecânico e/ou eletrônico (processo mecanizado). De maneira análoga, o fato do deslocamento da tocha porta-eletrodo ser executado por dispositivo mecânico e possuir controle mecânico e/ou eletrônico da velocidade de soldagem são condições necessárias para a soldagem ser considerada automatizada, porém não suficiente. Nesse caso, a maneira mais fácil de diferenciar um sistema de soldagem mecanizado de um automatizado é basear-se no conceito de equipamento automatizado: tratase de um equipamento projetado e programado para realizar uma única tarefa (automação fixa), ou de um equipamento flexível que, mediante reprogramações, permite a realização de tarefas distintas de acordo com o produto a ser manufaturado (automação flexível). Em outras palavras, para o processo ser automatizado, a soldagem deve ser executada por equipamento que permita ser programado uma única vez (automação fixa) ou inúmeras vezes (automação flexível) por meios mecânicos e/ou eletrônicos. Um robô industrial é um exemplo típico de um sistema automático flexível. Segundo a RIA (Robotic Industries Association), um robô é um manipulador reprogramável, multifuncional, projetado para mover materiais, peças, ferramentas e dispositivos especializados através de movimentos programáveis variáveis a fim de desempenhar uma variedade de tarefas. O desenvolvimento desse tipo de máquina introduziu um elevado grau de flexibilidade nos ambientes de produção, dada a sua flexibilidade de utilização em diferentes tarefas através de simples adaptações: mudança de ferramenta e programação. A condição primordial para um equipamento de soldagem ser robótico é que ele seja reprogramável. Os robôs industriais mais utilizados na soldagem são os antropomórficos de seis graus de liberdade. Esses são reprogramáveis e multifuncionais. Isto significa que esses robôs podem ser utilizados para a soldagem de diversas peças, necessitando apenas que o usuário trabalhe em sua programação em função da peça a ser soldada. Porém, existem robôs definidos como robôs para tarefas específicas que não são multifuncionais. Um caso típico desse tipo de robô utilizado na soldagem é o projetado para executar um único tipo de solda. Por exemplo, projeto de robôs para soldagem orbital de tubulações, onde o deslocamento do robô é limitado a movimentos ao redor do tubo. Nesse caso, o sistema de controle do robô pode ser reprogramado em função do diâmetro do tubo, porém somente tubos podem ser soldados. Qualquer sistema robotizado é automático, porém nem todo sistema automático é robótico. Para o sistema ser robótico ele precisa ser reprogramável e um sistema automático não é robótico quando esse é projetado para a realização de uma única tarefa e programado uma única vez. Por exemplo, um sistema automático especialmente projetado para a soldagem de uma determinada peça (ou uma família de peças). Com esse sistema, não é possível soldar

8 peças diferentes das especificadas. As modificações necessárias ao sistema não se limitam a simples troca de ferramentas, além desse sistema não aceitar reprogramação. Trata-se de um equipamento dedicado. Destaca-se que diferenciar um sistema automático de um semi-automático é uma tarefa árdua, visto que a automação pode ser parcial ou total, e principalmente, ainda não se tem nenhum processo fabril que seja totalmente automatizado, isto é, que seja 100% autônomo. No caso de sistemas de soldagem automáticos o que se pode diferenciar é se a soldagem será realizada por um sistema flexível ou fixo. A Tabela 2.2 apresenta as atividades relacionadas ao ciclo de soldagem, que devem definir o grau de automação do processo, e o agente controlador dessas atividades em função da classificação dos métodos de aplicação dos processos de soldagem. Tabela 2.2 Nova concepção dos métodos de aplicação dos processos de soldagem. Método de Aplicação Automatizado Atividades Manual Semimecanizado Mecanizado Fixo (sem robô) Flexível (com robô) Deslocamento da tocha porta-eletrodo manual mecânico e/ou eletrônico mecânico e/ou eletrônico mecânico e/ou eletrônico mecânico e/ou eletrônico velocidade de soldagem manual manual ou gravidade mecânico e/ou eletrônico mecânico e/ou eletrônico mecânico e/ou eletrônico Programação do ciclo de soldagem não há não há não há mecânico e/ou eletrônico mecânico e/ou eletrônico Fonte: Felizardo et al., 2006 De acordo com o proposto nessa tabela, a classificação dos processos de soldagem, de acordo com os métodos de aplicação é: a) MANUAL: quando o deslocamento da tocha porta-eletrodo sobre a junta a ser soldada é realizado manualmente pelo soldador/operador de soldagem; b) SEMI-MECANIZADO: quando o deslocamento da tocha porta-eletrodo sobre a junta a ser soldada é realizado por um dispositivo mecânico com controle manual ou gravitacional da velocidade de soldagem; c) MECANIZADO: quando o deslocamento da tocha porta-eletrodo sobre a junta a ser soldada é realizado por um dispositivo mecânico com controle mecânico e/ou eletrônico da velocidade de soldagem e não programável; d) AUTOMATIZADO: quando o deslocamento da tocha porta-eletrodo é realizado feito por um dispositivo mecânico e/ou eletrônico programável (automação fixa), ou reprogramável (robótico). A Figura 2.1 apresentou um exemplo típico de uma soldagem semi-mecanizada. A Figura 2.2 exemplifica o método de aplicação manual, a Figura 2.3, o método mecanizado e a Figura 2.4, o automatizado (robotizado) (Felizardo et al., 2006).

9 (a) Processo GMAW (b) Processo SMAW Figura 2.2. Soldagem manual. Figura 2.3. Soldagem mecanizada. (a) robô flexível (b) robô para tarefas especiais (soldagem de dutos) Figura 2.4. Soldagem robotizada.

10 Soldas de qualidade são obtidas independentes do método de execução do processo. O grande problema das soldas manuais é a não repetibilidade dos resultados. Este mesmo problema é observado no método mecanizado, visto que os equipamentos não são programáveis e todos os ajustes necessários para se iniciar o ciclo de soldagem são feitos em função da observação humana. Neste sentido, uma das principais vantagens do método de execução automatizado (robotizado ou não) em relação aos demais é a repetibilidade dos resultados: se uma solda executada por um sistema automatizado é de qualidade, isto implica que todas as outras são, visto a garantia da repetibilidade. Como regra geral, um processo automatizado é mais produtivo que um mecanizado, que, por sua vez, é mais produtivo que um manual. Na soldagem, o ganho na produtividade, muitas vezes, se reflete devido às reduções dos tempos de retrabalho, de arco fechado e de preparação para iniciar o ciclo de soldagem que devido ao aumento da velocidade de soldagem do processo. Por outro lado, também como regra geral, o custo inicial de um processo automatizado é maior que um mecanizado que é maior que um manual. Podendo dizer inclusive, que a grande desvantagem dos sistemas automatizados é o seu custo inicial. Porém, estudos detalhados sobre a viabilidade econômica destes sistemas vêm mostrando que o seu custo-benefício é bastante satisfatório. Em geral, se um processo de soldagem pode ser mecanizado, conseqüentemente este pode ser automatizado. A questão é quando que o processo deve ser mecanizado e quando deve ser automatizado. Além disto, se esta automação deve ser utilizando robôs ou não, isto é, se a automação deve ser fixa ou flexível. Diversos são os fatores que devem ser considerados para se definir o melhor método de execução de um processo de soldagem, destacando: Tipo de processo de soldagem utilizado; Geometria da peça a ser soldada; Complexidade da solda; Quantidade de cordões de solda a serem realizadas; Qualidade da solda. Destaca-se que todos estes fatores devem ser considerados, além de todas as vantagens e desvantagens de cada método. Porém, a maneira mais confiável para se definir qual é o método de execução mais apropriado para a produção de uma determinada peça é através da realização de estudos de viabilidade econômica do processo, visto que neste estudo todos os fatores citados podem ser considerados. Independentemente do grau de automação envolvida na execução de um processo, o que se busca sempre é a redução do custo de manufatura. Em sistemas automatizados isto pode ser obtido através da redução do número de pessoas envolvidas diretamente na produção, do aumento da produtividade e do aumento da qualidade do produto final, através do controle mais racional dos parâmetros do processo. Com sistemas automatizados também é possível o armazenamento de todo o histórico das condições de soldagem das peças. Este fato, adicionado ao da repetibilidade dos resultados estão abrindo o campo para a rastreabilidade das peças soldadas. Um sistema de soldagem automatizado requer equipamentos e dispositivos de alta confiabilidade e o equipamento mais empregado nas indústrias atualmente para a automação da soldagem corresponde na utilização de robôs industriais

11 3. ROBÓTICA INDUSTRIAL (Romano, 2002) 3.1 História e Evolução Desde o início de sua origem, o ser humano utiliza ferramentas e utensílios que o auxilie na realização das mais diversas atividades relacionadas às suas necessidades de sobrevivência. Para a civilização ocidental, o conceito de evolução humana está diretamente associado ao grau de desenvolvimento tecnológico adquirido ao longo do tempo, através do aperfeiçoamento destes objetos. Uma das maiores fantasias do homem é a construção de máquinas com inteligência artificial, capazes de agir e pensar como ele, substituindo-o na realização de tarefas. A primeira referência explícita neste sentido foi escrita por Aristóteles (séc. IV a.c): se os instrumentos pudessem realizar suas próprias tarefas, obedecendo ou antecipando o desejo de pessoas. Ele refere à utilização de instrumentos dedicados a trabalhos determinados, sem o auxílio das mãos humanas, reduzindo os esforços humanos, com ênfase no conceito de mestre e escravo. Ao longo dos séculos, diversas invenções propiciaram a necessária bagagem tecnológica para a gradual substituição do homem pela máquina. Porém, somente quando ocorreu, de forma sistemática, a aplicação da ciência à indústria houve uma concreta alteração do cenário, resultando na sociedade industrial. No final do século XVI, Francis Bacon preconizou a idéia de que o saber devesse produzir seus frutos na prática, de que a ciência devesse ser aplicável à indústria, de que os homens tivessem o dever sagrado de se organizarem para melhorar e transformar as condições de vida. A partir da máquina a vapor desenvolvida por James Watt, em 1769, houve um acentuado progresso em termos de automação de processos produtivos. A produção industrial em larga escala e os meios de transporte revolucionaram social e economicamente as relações humanas. Até meados do século XX, o processo de produção se baseou no emprego de máquinas projetadas especificamente para a fabricação em série de produtos de uma mesma característica, visando uma elevada produtividade, volume e qualidade. Esse modelo, conhecido hoje como automação fixa ou rígida e foi bastante difundido pelo empresário Henry Ford no início do século XX. Frederick Taylor introduziu um método científico de estruturação do trabalho numa fábrica. Henry Ford adotou esta idéia e implementou na sua linha de produção do modelo T-FORD. A mudança na estrutura da linha de produção contribuiu para a redução do custo do modelo T-FORD de U$ 850 em 1908 para U$ 260 em O termo robô (robot) origina da palavra tcheca robota que significa servo, trabalho escravo, foi originalmente utilizado em 1921, pelo dramaturgo checo Karen Capek, na peça teatral Os robôs Universais de Russum (RUR). Os robôs de Capek eram máquinas de trabalho incansáveis, de aspecto humano, com capacidades avançadas, mesmo para os robôs existentes atualmente, Figura 3.1.

12 Figura 3.1 Robô de Capek. Na década de 40, o escritor Isaac Asimov tornou popular o conceito de robô como uma máquina de aparência humana, não possuidora de sentimentos, cujo comportamento seria definido a partir de programação feita por seres humanos, de forma a cumprir determinadas regras éticas de conduta. Dentre os mais de 500 livros publicados por Asimov, destaca-se o principal e o que deu começo a tudo, I Robot. Neste livro há uma coletânea de contos com histórias envolvendo robôs, o termo robótica foi criado para designar a ciência que se dedica ao estudo de robôs e foi a primeira vez que apareceram de forma explicita as Leis da Robótica. Estas de tão precisas e perfeitas foram consideradas não só foram adotadas por outros autores como também passaram a fazer parte dos anais científicos. Rezam as Leis da Robótica: 1ª Lei: Um robô não pode ferir um ser humano ou, por omissão, permitir que um ser humano sofra algum mal. 2ª Lei: Um robô deve obedecer às ordens que lhe sejam dadas por seres humanos, exceto nos casos que em tais ordens contrariem a Primeira Lei. 3ª Lei: Um robô deve proteger sua própria existência, desde que tal proteção não entre em conflito com a Primeira e a Segunda Lei. Posteriormente, foi apresentada por Asimov a lei zero da robótica, criada por um robô que a intuiu em seu romance Os Robôs e o Império : Lei Zero: Um robô não pode causar mal a humanidade ou, por omissão, permitir que a humanidade sofra algum mal, nem permitir que ela própria o faça. A base tecnológica para os atuais robôs industriais foi desenvolvida a partir de pesquisas iniciadas logo após a Segunda Guerra Mundial. Foi construído um equipamento denominado teleoperador mestre-escravo (master-slave), empregado em atividades de manipulação de materiais radioativos. O sistema era formado de um manipulador mestre, movido diretamente por um operador humano responsável pelas sequências de movimentos desejados, e um manipulador escravo, capaz de reproduzir os movimentos realizados remotamente pelo mestre.

13 Os vínculos entre os manipuladores mestre e escravo eram realizados através de sistemas de transmissão mecânicos. No anos 50, Joseph Engelberger e George Devol desenvolveram o primeiro robô industrial moderno (1ª patente de robô industrial) capaz de executar automaticamente uma variedade de tarefas, diferenciando dos demais autômatos devido à possibilidade de ser reprogramado e remodelado para outras tarefas, com um nível de custos pouco elevado. Engelberger e Devol criaram a empresa Unimation Inc., iniciando a comercialização de robôs industriais, motivo pelo qual são chamados de pai da robótica. A Unimation Inc. instalou o primeiro robô industrial, denominado Unimate, Figura 3.2, no chão-de-fábrica de uma empresa em O projeto desse robô resultou da combinação entre os mecanismos articulados e garras usados no teleoperador mestre-escravo e a tecnologia de controle desenvolvida em máquinas operatrizes com comando numérico. Figura 3.2 Robô industrial Unimate Apesar de toda a tecnologia envolvida no robô Unimate, foi observado que a flexibilidade e adaptabilidade dos robôs seria largamente otimizada utilizando retroação sensorial. As constantes investigações e desenvolvimentos nos anos 50 e 60 conduziram ao desenvolvimento dos primeiros robôs controlados por computadores com retroação sensorial, como o T3, Figura 3.3, produzido pela Cincinatti Millacron em 1974 e comercializado a partir de E o braço de Stanford (final dos anos 60, início dos anos 70), que deu origem ao robô Puma da Unimation Inc. (1978), Figura 3.4. Figura 3.3 Robô T3: Tool of The future. Figura 3.4 Robô Puma.

14 3.2 A Importância da Utilização de Robôs O maciço investimento em robôs industriais no processo produtivo observado nas últimas décadas deve-se principalmente às crescentes necessidades impostas pelo mercado em se obterem sistemas de produção cada vez mais automatizados e dinâmicos. Devido às características de flexibilidade de programação e adaptação a sistemas integrados de manufatura, o robô industrial tornou-se um elemento importante neste contexto. Um sistema de produção tem por objetivo agregar valor aos produtos. Ou seja, a partir de uma entrada de materiais a serem processados: matérias-primas, peças básicas ou conjuntos de peças (subgrupos), o sistema de produção irá executar algum processo de transformação sobre estes materiais, resultando em produtos processados, com valor comercial mais elevado. Estes podem ser produtos acabados aptos a serem comercializados diretamente no mercado ou, ainda, produtos intermediários, que serão utilizados posteriormente na construção de produtos acabados. O uso de robôs industriais no chão-de-fábrica de uma empresa está diretamente associado aos objetivos da produção automatizada, a qual visa : Reduzir custos dos produtos fabricados, através da diminuição do número de pessoas envolvidas na produção, aumento da quantidade de produtos em um dado período (produtividade), melhor utilização de matéria-prima (redução de perdas, otimização do aproveitamento), economia de energia, etc.; Melhorar as condições de trabalho do ser humano, por meio da eliminação de atividades perigosas ou insalubres de seu contato direto; Melhorar a qualidade do produto, através do controle mais racional dos parâmetros de produção; Realizar atividades impossíveis de serem controladas manual ou intelectualmente como, por exemplo, a montagem de peças em miniatura, a coordenação de movimentos complexos e atividades muito rápidas (deslocamento de materiais). 3.3 Vantagens e Desvantagens A automação possibilita grandes incrementos na produtividade do trabalho e, em decorrência, o atendimento das necessidades básicas da população. Além de aumentar a produção, os equipamentos automatizados possibilitam melhora na qualidade do produto, ao uniformizar a produção, evitando perdas e refugos. As vantagens decorrentes da utilização de robôs industriais são numerosas: aumento da produtividade; melhoria e consistência na qualidade final de um produto; minimização de operações; menor demanda de contratação de mão-de-obra especializada; operação em ambientes difíceis e perigosos ou em tarefas desagradáveis e repetitivas para o ser humano; capacidade de trabalho por longos períodos sem interrupção; etc. Na prática, a aplicação de robôs na indústria requer uma solução confiável e robusta que desempenha com consistência as funções predeterminadas. Indústrias que desejam automatizar seus processos e possuem problemas complexos, precisam adquirir robôs de

15 precisão. O principal fator que impede a aplicação de sistemas robotizados nas industrias é seu alto custo inicial. O tempo para recuperar tal investimento depende dos custos de compra, instalação e manutenção. Não é um tempo fixo: depende da fábrica em que o robô será instalado e de sua aplicação. O preço de um robô é determinado por suas dimensões, grau de sofisticação e complexidade, exatidão e confiabilidade. As transformações causadas pelo surgimento dos robôs muitas vezes não estão visíveis para grande parte das pessoas não familiarizadas com o ambiente fabril. Contudo, a ascensão da robótica nas fábricas faz parte da mesma tendência que vem determinando, nos últimos anos, a crescente automatização dos bancos, do comércio e das empresas em geral, como resultado do advento da informática. No que se refere ao meio fabril, as indústrias adotam robôs e computadores guiadas pela necessidade crucial de sobreviver no mercado, a fim de conquistar, com baixos custos, maior produtividade e qualidade e assim assegurar competitividade perante os concorrentes. Por outro lado, devem-se levar em conta os impactos sociais que os robôs exercem sobre o temor do desemprego. Entretanto, o uso de robôs passa a ser uma questão de sobrevivência para as indústrias. O sucesso que as empresas e os países usuários de robôs vêm obtendo é alto. O Japão, por exemplo, em dez anos conseguiu quadruplicar sua produção de automóveis. Um estudo conduzido no Japão em 1983 mostrou que no início de 1981 havia naquele país cerca de 25 mil robôs, cujo valor médio de mercado era de US$ 17 mil. Com uma expectativa de vida útil de seis anos, desde que trabalhe 22 horas por dia, durante os sete dias da semana, o robô trabalhará nesses seis anos aproximadamente 48 mil horas. Isso equivale ao que o operário médio japonês cujo custo médio é de US$ 13 mil anuais, consegue trabalhar em 30 anos, já que sua jornada semanal é de 40 horas. É evidente a vantagem que os robôs levam sobre os operários. Impedir a utilização de robôs é praticamente impossível, visto a queda observada nos custos dos mesmos nos últimos anos e o ganho produtivo que ele oferece. A alternativa indicada por estudiosos é a implantação de medidas que minimizem os impactos negativos dos robôs. Por exemplo, a adoção de programas maciços de educação gratuita em todos os níveis, aumentando a capacitação dos indivíduos, tornando-os profissionais de mão de obra especializada, podendo ser reaproveitados em novos setores da indústria. Outras medidas seria a criação de empregos públicos em áreas da saúde e educação e a realização de investimentos maciços na indústria da construção civil, o segmento da economia com condições mais efetivas para absorver profissionais de mão de obra não especializada. 4 ROBÔS INDUSTRIAIS 4.1 Conceito Conforme apresentado anteriormente a Robotic Industries Association (RIA), define robô industrial como um manipulador multifuncional, reprogramável, projetado para movimentar objetos, para o desempenho de uma variedade de tarefas. A norma ISO define robôs

16 industriais como sendo uma máquina manipuladora, com vários graus de liberdade, controlada automaticamente, reprogramável, multifuncional, que pode ter base fixa ou móvel para utilização em aplicações de automação industrial. 4.2 Componentes Um robô industrial é formado pela integração de vários componentes: manipulador mecânico, atuadores, sensores, unidade de controle, unidade de potência e efetuador Manipulador Mecânico Consiste em um sistema mecânico (manipulador), de geometria variada, composto por combinação de elementos estruturais rígidos (corpos, ou elos), conectados entre si através de articulações (juntas), Figura 4.1, sendo o primeiro corpo denominado base e o último, extremidade terminal, onde será vinculado o componente efetuador (garra ou ferramenta). Figura 4.1 Manipulador de 6 graus de liberdade. O manipulador é destinado a sustentar e posicionar/orientar uma ferramenta terminal, que dotado de garra mecânica ou ferramenta especializada, fica em contato direto com o processo. A mobilidade do manipulador é resultado de uma série de movimentos elementares, independentes entre si, denominados de graus de liberdade. O número de graus de liberdade que um robô apresenta é o seu número de juntas. A maioria dos robôs industriais tem entre quatro e seis graus de liberdade. Manipuladores utilizados para soldagem possuem, em geral, seis graus de liberdade. Apenas a título ilustrativo, um ser humano tem sete graus de liberdade do ombro até o pulso.

17 O manipulador, também referenciado como braço mecânico, é capaz de se mover para várias posições devido à existência das juntas (graus de liberdade), que lhe permite executar tarefas diversas. Estas juntas podem ser dos tipos: Prismáticas ou lineares (Figura 4.2a): permitem o movimento linear entre dois elos; são compostas de dois elos alinhados um dentro do outro; o elo interno escorrega pelo externo e dá origem ao movimento linear. Rotativas ou de revolução (Figura 4.2b): a conexão possibilita movimentos de rotação entre dois elos unidos por uma dobradiça comum, com uma parte podendo se mover num movimento cadenciado em relação à outra. Esféricas ou do tipo bola-encaixe (Figura 4.2c): a conexão se comporta como uma combinação de três juntas de rotação, permitindo movimentos de rotação em torno dos três eixos. Figura 4.2 Tipos de juntas. A maioria dos braços mecânicos são interligados por juntas prismáticas e de rotação. As juntas esféricas são pouco empregadas devido à sua dificuldade de acionamento. Além disto, para ter a mesma performance deste tipo de junta, muitos manipuladores incluem três juntas rotacionais separadas, cujos eixos de movimentação se cruzam em um ponto, Figura 4.3. Figura 4.3 Três juntas rotacionais substituindo uma junta bola-encaixe.

18 É inevitável que os elementos estruturais (elos ou corpos) dos manipuladores apresentem algum grau de flexibilidade quando submetidos a esforços durante a realização de uma tarefa, sejam estes de natureza estática ou dinâmica. Estes elementos devem ser projetados para apresentar elevada rigidez mecânica aos esforços de flexão e torção. Rigidez mecânica de uma estrutura é a medida de como ela distorce pela ação de cargas atuando sobre ela. Os materiais mais empregados nos elos são alumínio e aço. Recentemente têm-se utilizado fibras de carbono e de vidro, materiais termoplásticos e plásticos reforçados. Visto que o manipulador é composto por elos conectados entre si por juntas, é desejado que estas juntas também apresentem certa rigidez. De um modo geral, juntas prismáticas são mais rígidas que juntas de revolução, por outro lado, estas últimas oferecem maior mobilidade aos manipuladores Atuadores Os atuadores são componentes que convertem energia hidráulica ou pneumática ou elétrica em potência mecânica: convertem algum tipo de energia em movimento mecânico. Através dos sistemas de transmissão dos manipuladores, podendo ser formado por engrenagens ou fusos ou correias e polias dentadas, etc, a potência mecânica gerada pelos atuadores é enviada aos elos para que se movimentem. Os atuadores hidráulicos possuem velocidade de resposta e torque adequados para atuar sobre cargas pesadas. Porém, requerem equipamentos periféricos, como bombas, necessitando de freqüente manutenção, além de gerar grande ruído. Os atuadores pneumáticos são mais baratos e simples, no entanto, não podem ser controlados com precisão. Os atuadores eletromagnéticos são os mais utilizados em robôs, principalmente os motores de corrente contínua e de passo. As principais vantagens da utilização destes motores são a grande variedade de fabricantes disponíveis no mercado, o fato destes motores, quando associados a sensores, poderem ser empregados tanto no controle de força quanto de posição do robô, e a facilidade de se programarem seus movimentos, já que estes podem ser controlados por sinais elétricos, o que permite a utilização de controladores de movimento. Os motores de corrente contínua (CC) são compactos e geralmente o valor de torque mantém-se numa faixa constante para grandes variações de velocidade, porém necessitam de sensores de posição angular (encoder) e de velocidade (tacômetro) para controle de posicionamento em malha fechada (servocontrole). Os motores de passo podem funcionar em controle de malha aberta, em posição e velocidade, e são facilmente interligados a unidades de comando de baixo custo, porém a curva de torque decresce com o aumento da velocidade e, em baixas velocidades, podem gerar vibrações mecânicas. São mais empregados na movimentação de garras Sensores O uso de sensores permite ao robô obter informações sobre o seu comportamento e sobre seu ambiente de atuação. Por meio da utilização de sensores, a funcionalidade e a habilidade

19 dos robôs são determinadas. Duas são as classificações dos robôs em função desta utilização: Robôs de primeira geração: incapazes de obter informações sobre o meio e realizam apenas movimentos pré-determinados, retornando pouquíssimas informações sobre o ambiente de operação. Robôs de segunda geração: possuem todas as características dos robôs de primeira geração com o acréscimo de uma detalhada comunicação com seu ambiente. A comunicação é atingida por intermédio de sistemas de sensoriamento e identificação. Requerem computadores mais rápidos, com maior capacidade de memória, e também um grande avanço na capacidade de sensoriamento. Os robôs de primeira geração utilizam sensores denominados por internos ou proprioceptivos. Estes fornecem parâmetros sobre o comportamento do manipulador, em termos de posição e velocidade dos elos em função do tempo à unidade de controle. A maior parte dos robôs industriais são deste tipo (convencional) e desenvolvem tarefas préprogramadas repetitivas, necessitando, para realizá-las, unicamente dos sensores internos, situados nas juntas. Tais sensores podem ser codificados ópticos (encoders) do tipo incremental ou absoluto, sincros, resolvers, potenciômetros multivoltas, tacômetros etc. Os codificadores ópticos incrementais estão entre os sensores mais utilizados, em razão do baixo custo e da precisão proporcionada para a maioria das aplicações. Os robôs de segunda geração utilizam sensores denominados por externos ou exteroceptivos. Tais sensores podem ser utilizados para obter propriedades relevantes ao meio e controlar o sistema na execução da tarefa. O emprego dos sensores externos possibilita um controle em malha fechada do processo. Os sensores externos normalmente encontrados nos robôs industriais são sensores de segurança para proteção humana (cortinas de luz, ultra-som, barreiras mecânicas, dispositivos sensíveis a pressão ect.), sensores de contato, ópticos, indutivos, capacitivos, de efeito Hall, ultra-sônicos e laser Unidade de Controle Responde pelo gerenciamento e monitoração dos parâmetros operacionais requeridos para realizar as tarefas do robô. Os comandos de movimentação enviados aos atuadores são originados de controladores de movimento (computador industrial, CLP, placa controladora de passo) e baseados em informações obtidas através de sensores Unidade de Potência É responsável pelo fornecimento da potência necessária à movimentação dos atuadores. A bomba hidráulica, o compressor e a fonte elétrica são as unidades de potência associadas aos atuadores hidráulico, pneumático e eletromagnético, respectivamente Efetuador É o elemento de ligação entre o robô e o meio que o cerca. Pode ser dividido em dois

20 grandes grupos: as garras mecânicas ou as ferramentas especiais. As garras mecânicas são associadas à preensão (agarramento) de objetos visando operações de movimentação ou manipulação. A principal função de uma garra é pegar um determinado objeto, transportá-lo a uma posição pré-estabelecida e após alcançar tal posição, soltá-lo. As ferramentas têm como função realizar uma ação ou trabalho sobre uma peça, estando associada diretamente às tarefas a serem realizadas. Dentre as ferramentas mais tradicionais utilizadas em operações de processamentos estão às relacionadas à pintura, à soldagem e ao corte. 4.3 Classificação A classificação usual dos robôs é feita de acordo com sua geometria, mais especificamente, pelas três juntas mais próximas da base do robô. As seis classes ou geometrias principais de robôs são: Cartesiano; Cilíndrico; Esférico (ou polar); De revolução (ou articulado ou antropomórfico) Scara (Selective Compliant Articulated Robot for Assembly); Paralelo; Robô de Coordenadas Cartesianas Um robô cartesiano se movimenta em linha reta, em deslocamentos horizontais e verticais. Possui três juntas prismáticas, codificado por PPP, resultando em três movimentos de translação, coincidentes com um sistema de coordenadas de referência cartesiano, Figura 4.4. Caracterizam-se pela pequena área de trabalho (também referencia por espaço ou envelope de trabalho, que é a forma geométrica de sua área de trabalho), pelo elevado grau de rigidez mecânica e pela grande exatidão na localização do atuador. Seu controle é simples em razão do movimento linear dos vínculos e do momento de inércia da carga ser fixo em toda a área de atuação. O envelope de trabalho é retangular e uma variante deste robô é a configuração tipo pórtico. Figura 4.4 Eixos de um robô cartesiano (PPP).

21 4.3.2 Robô de Coordenadas Cilíndricas Robôs deste tipo combinam movimentos lineares com movimentos rotacionais, descrevendo um movimento final em torno de um envelope cilíndrico. Possuem uma junta rotacional na base, seguida de duas juntas prismáticas, codificado por RPP, Figura 4.5. O volume de trabalho é cilíndrico. A área de trabalho desse tipo de robô é maior que a dos cartesianos, porém a rigidez mecânica é ligeiramente inferior. O controle é um pouco mais complicado devido à existência de vários momentos de inércia para diferentes pontos na área de trabalho e pela rotação da junta da base. Figura 4.5 Eixos de um robô de coordenadas cilíndricas (RPP) Robô de Coordenadas Esféricas ou Polares Possui dois movimentos rotacionais e um linear: duas juntas de revolução e uma prismática, codificado por RRP, Figura 4.6. Descrevem um envelope esférico e sua área de trabalho é maior que a dos cilíndricos, porém sua rigidez mecânica é menor e o controle é ainda mais complicado devido aos movimentos rotacionais. Figura 4.6 Eixos de um robô de coordenadas esféricas ou polares (RRP).