Departamento de Engenharia Electrotécnica

Automatização de uma Célula Robotizada de

Corte Plasma

Relatório de Estágio apresentado para a obtenção do grau de Mestre em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia

Autor

Carlos Manuel dos Santos Tavares

Orientadores

Doutor Fernando Lopes Doutor Inácio Fonseca

Instituto Superior de Engenharia de Coimbra

Supervisor na Empresa

Engenheiro Luís Almeida Martifer

Coimbra, Dezembro, 2011

i

Agradecimentos

A redacção do presente relatório não seria possível sem o incentivo e o apoio de muitas

pessoas, às quais presto o meu agradecimento.

Em primeiro lugar aos meus pais, Henrique e Celeste, pelo apoio e constante incentivo

para ir em busca de um futuro cada vez melhor, assim como a ajuda demonstrada em

situações de maior dificuldade ou desmotivação. Obrigado pelo esforço que fizeram para

tornarem possível ter hoje atingido este patamar de conhecimento.

À minha irmã Carolina fica também o meu agradecimento especial.

Aos meus avós maternos, Armindo e Gracinda, pessoas com as quais eu fui educado na

minha infância, agradeço terem-me transmitido muitos e bons conselhos.

Aos meus padrinhos, Dionísio e Elvira, pelo apoio nos momentos mais difíceis.

Ao meu primo Rui, com o qual partilhei toda a minha infância e percurso escolar,

obrigado pela ajuda, principalmente em algumas etapas mais difíceis de ultrapassar, já que o

seu auxílio tornou muito mais fácil o desenvolvimento de alguns trabalhos.

Ao Tiago por, muitas vezes desanimados e com pouca vontade de viajarmos para

Coimbra, agradeço a amizade e a camaradagem, principalmente no percurso do mestrado.

A todos os meus colegas de licenciatura (2006-2009) na ESTV e colegas de mestrado

(2009-2011) no ISEC, pela ajuda e pelo companheirismo demonstrados.

A todos os meus amigos, obrigado pela amizade e apoio.

Ao Eng.º João Cruz, pela oportunidade concedida de poder fazer parte do departamento

de engenharia/processo da Martifer.

Ao meu orientador na Martifer, Eng.º Luís Almeida, pelo esforço, pela passagem de

conhecimentos e pela disponibilidade. Jamais me esquecerei da maneira como fui recebido e

ajudado no decorrer do estágio.

Aos meus orientadores do ISEC, Doutor Fernando Lopes e Doutor Inácio Fonseca, pelo

apoio, interesse e disponibilidade de colaboração no relatório de estágio, assim como nas

sugestões de processos para o trabalho.

Por fim, gostaria de agradecer a todas as pessoas que, directa ou indirectamente,

contribuíram para o meu trabalho e sucesso, mas que, por falta de lembrança – nunca por

ingratidão – não foram aqui referidas.

iii

Resumo

Este relatório foi elaborado com o objectivo de cumprir os requisitos da componente de

Estágio do Mestrado em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia na Área de

Especialização em Sistemas de Energia e Automação, sendo o referido mestrado ministrado

pelo Instituto Superior de Engenharia de Coimbra (ISEC) do Instituto Politécnico de Coimbra

(IPC).

Na empresa onde decorreu o estágio, a Martifer Construções SA, a actividade

encontra-se dividida entre a Construção Metálica e as Energias Renováveis, seja com a

construção de equipamentos para energia ou com os projectos de Energias Renováveis. O

estágio decorreu especificamente na construção de equipamentos para Energias Renováveis.

Para o período em que decorreu o estágio existiu um Plano de Trabalho bem definido,

embora o estagiário também tenha participado em algumas actividades da empresa fora do

âmbito desse plano. O presente relatório foi redigido tendo em conta, exclusivamente, o

cumprimento do Plano de Trabalho proposto.

O Plano de Trabalho proposto consistia na automatização de uma Célula Robotizada de

Corte Plasma para efectuar cortes específicos em peças metálicas. Esta automatização foi

aplicada ao ciclo produtivo da fábrica que, no período do estágio, produzia componentes para

torres eólicas. O processo de automatização foi obtido através de múltiplas buscas da chapa a

cortar, enquanto a compensação durante o corte é realizada dinamicamente, através de

equipamento extra instalado, de modo a adaptar o robô de soldadura a corte.

A automatização da referida célula permitiu reduzir os tempos de processo e obter maior

precisão no corte, resultando assim em menores custos para o processo produtivo. A área de

actividade principal envolvida nas actividades do estágio foi a robótica industrial. Foi também

estudada a forma de optimização do processo produtivo, com o objectivo de minimizar o

tempo de realização do processo. Durante o estágio foram realizados diversos testes, entre

eles, testes de buscas, de corte e de offsets.

Palavras chave: Automatização, Corte Plasma, Robótica Industrial, Torres Eólicas.

v

Abstract

This Internship Report was prepared with the purpose of fulfilling the academic

requirements for the internship component of the Communications and Automation in Energy

Systems Master - Energy and Automation Specialization Area. This Master is taught at

Instituto Superior de Engenharia de Coimbra (ISEC), a School of Instituto Politécnico de

Coimbra (IPC).

The internship took place at Martifer Construções SA, where the activity is divided

between the Metalic Construction and the Renewable Energies areas, addressing the

construction of energy equipments and the development of renewable energy projects.

During the internship period, a well defined Work Plan was prepared. However, the

trainee also participated in some other activities of the company. This Internship Report was

prepared taking only into account the proposed Work Plan.

The proposed Work Plan consisted on the automation of a Robotic Cell, intended to

perform specific plasma cutting operations on metallic parts. The implemented automation

operations were applied to the company production cycle that, during the internship period,

was producing components for wind towers. The process automation was achieved through

multiple searches for the target metal components, while dynamic cutting compensation was

implemented using specially installed sensors. These sensors with associated hardware and

software permitted to adapt the original robot soldering task to a new cutting task.

The automation of the Robotic Cell allowed to significantly reduce the production times

and to obtain better precision in the cutting operation. These achievements permitted a

significant improvement in the production process. The main area of study and application

involved in this internship was the industrial robotics area. Complementary study and work

were also conducted on how to optimize the production process in order to minimize its

execution time. A number of search, cutting and offset tests were performed in order to select

the best parameters for each of these specific operations.

Keywords: Automation, Plasma Cutting, Industrial Robotics, Wind Towers.

vii

Índice

Agradecimentos i

Resumo iii

Abstract v

Índice vii

Lista de Figuras xi

Lista de Tabelas xvii

Nomenclatura xix

1 Introdução 1

Objectivos do estágio 1 1.1

A empresa Martifer 2 1.2

Enquadramento do estágio na área de negócios da empresa - Martifer Energy 1.3

Systems 2

Organização/estrutura do relatório 4 1.4

2 Tecnologias Aliadas ao Projecto 5

O que é uma metalomecânica 5 2.1

Linha de montagem da fábrica 5 2.2

Metalomecânica 5 2.2.1

Armação e soldadura 6 2.2.2

2.2.2.1 Armação e soldadura manual 7

2.2.2.2 Soldadura robotizada 7

Tratamento de superfície 8 2.2.3

Robótica 8 2.3

Definição de robô 8 2.3.1

Tipos de robôs 8 2.3.2

Áreas de aplicações dos robôs 10 2.3.3

Características de um robô industrial 12 2.3.4

Elementos envolvidos na operação de um robô 14 2.3.5

Configurações físicas de robôs 16 2.3.6

Tipos de ferramentas/end effectors 18 2.3.7

viii

Programação de robôs 20 2.3.8

2.3.8.1 Modo de programação “on-line” 20

2.3.8.2 Modo de programação “off-line” 21

Vantagens e desvantagens dos robôs industriais 23 2.3.9

2.3.9.1 Vantagens 23

2.3.9.2 Desvantagens 23

Corte a Plasma 24 2.4

O que é o plasma 24 2.4.1

Processo de corte a plasma 25 2.4.2

Tocha de corte a plasma 25 2.4.3

Máquinas de corte a plasma 27 2.4.4

Vantagens do corte a plasma 28 2.4.5

3 Processo de Corte 29

Célula robotizada existente 29 3.1

Processo de corte “semi-automático” 31 3.2

Corte do Troço 32 3.2.1

Corte do Top Cover e Hatches 34 3.2.2

Corte da Virola de Acesso à Torre 38 3.2.3

Processo de corte automático previsto 39 3.3

Corte do Troço 39 3.3.1

Corte do Top Cover e Hatches 40 3.3.2

Corte da Virola de Acesso à Torre 41 3.3.3

Material necessário 42 3.4

Solução avançada 43 3.4.1

4 Fase de Testes 45

5 Automatização da Célula Robotizada 49

Alteração ao Suporte da Tocha 49 5.1

Alteração da programação em função da tocha nova 51 5.1.1

Corte do Troço 51 5.2

Definição de pontos de referência 52 5.2.1

Definição de trajectórias 53 5.2.2

Programação do corte 54 5.2.3

Alterações durante a fase de testes 58 5.2.4

Corte do Top Cover/Hatches 58 5.3

ix

Posicionamento do Gabari 58 5.3.1

Corte das barras longitudinais 59 5.3.2

5.3.2.1 Definição de pontos de referência 60

5.3.2.2 Definição de trajectórias 61

5.3.2.3 Programação do corte 61

5.3.2.4 Alterações durante a fase de testes 65

Corte de separação do Top Cover/Hatches 65 5.3.3

5.3.3.1 Definição de pontos de referência 66

5.3.3.2 Definição de trajectórias 67

5.3.3.3 Programação do corte 68

5.3.3.4 Alterações durante a fase de testes 74

Corte de separação das Hatches 74 5.3.4

5.3.4.1 Definição de pontos de referência 75

5.3.4.2 Definição de trajectórias 76

5.3.4.3 Programação do corte 77

5.3.4.4 Alterações durante a fase de testes 80

Corte da Virola de Acesso à Torre 81 5.4

Definição de pontos de referência 81 5.4.1

Definição de trajectórias 83 5.4.2

Programação do corte 85 5.4.3

Compensação das irregularidades da chapa 85 5.5

Equipamento 85 5.5.1

Seguimento de junta aplicado em soldadura 88 5.5.2

Seguimento de junta aplicado ao corte 89 5.5.3

6 Conclusões 93

Impacto das alterações implementadas 94 6.1

A nível produtivo 94 6.1.1

6.1.1.1 Corte do Troço 94

6.1.1.2 Corte do Top Cover e Hatches 95

6.1.1.3 Corte da Virola de Acesso à Torre 97

A nível energético 98 6.1.2

Referências 101

Anexo 1 107

x

Fase de testes de corte e detecção de peça (touch sensing) 107

Anexo 2 137

Datasheet do transdutor BUM 137

Anexo 3 141

Datasheet do filtro 141

Anexo 4 145

Manual do operador 145

xi

Lista de Figuras

Fig. 1.1. Canopy [1]. 3

Fig. 1.2. Localização da Canopy na torre eólica [5] (adaptado). 3

Fig. 2.1. Virola [1]. 6

Fig. 2.2. Troço - Conjunto de seis virolas [1]. 6

Fig. 2.3. Robô humanóide [14]. 9

Fig. 2.4. Robô móvel [15]. 9

Fig. 2.5. Robô industrial [17]. 10

Fig. 2.6. Robô de exploração [18]. 10

Fig. 2.7. Robô militar Bigdog [20]. 11

Fig. 2.8. Robô manipulador ABB IRB1410 [21]. 11

Fig. 2.9. Junta ou eixo de rotação [24] (adaptado slide n.º5). 12

Fig. 2.10. Junta linear [24] (adaptado slide n.º5). 12

Fig. 2.11. Junta esférica [25] (adaptado p.2-6). 12

Fig. 2.12. Capacidade de carga de um robô [26] (slide 29). 13

Fig. 2.13. Volume de trabalho do robô FANUC ARC Mate 100iBe [1]. 14

Fig. 2.14. Exactidão versus repetibilidade [26] (slide 45). 14

Fig. 2.15. Elementos do robô: (a) Controlador e consola de programação [30], (b) Manipulador

[31]). 15

Fig. 2.16. Robô polar ou esférico [32] (p.3). 16

Fig. 2.17. Robô cilíndrico [32] (p.3). 16

Fig. 2.18. Robô cartesiano [32] (p.3). 16

Fig. 2.19. Robô pórtico [25] (adaptado p.2-8). 17

Fig. 2.20. Robô antropomórfico, articulado ou em braço [32] (p.3). 17

Fig. 2.21. Robô SCARA [25] (adaptado p.2-9). 17

Fig. 2.22. Robô paralelo [26] (slide 37). 18

Fig. 2.23. Ferramenta do tipo garra mecânica [34]. 18

Fig. 2.24. Garra não mecânica do tipo ventosa [35]. 19

Fig. 2.25. Exemplo de tocha de soldar [36]. 19

Fig. 2.26. Tocha de soldadura por pontos [37]. 19

Fig. 2.27. Exemplo de consola de programação FANUC [40]. 21

Fig. 2.28. Elementos que constituem uma linha de programação TP [41]. 21

xii

Fig. 2.29. ROBOGUIDE da FANUC [1]. 22

Fig. 2.30. Representação dos quatro estados da matéria [43]. 24

Fig. 2.31. Tocha de corte PT-19XLS [45]. 25

Fig. 2.32. Elementos de uma tocha de corte a plasma [46]. 26

Fig. 2.33. Esquema básico de uma tocha de corte a plasma [47]. 26

Fig. 2.34. Máquina de corte plasma ESP 150 Plasmarc [48]. 27

Fig. 2.35. Máquinas de corte automatizado: (a) Robô com tocha de corte a plasma [1], (b)

Máquina CNC de corte a plasma [50]. 28

Fig. 3.1. Coluna rotativa [52]. 29

Fig. 3.2. Movimentos dos eixos externos de uma coluna [52]. 30

Fig. 3.3. Posicionador tipo torno [53]. 30

Fig. 3.4. Célula robotizada [1]. 30

Fig. 3.5. Cortes realizados pelo robô: (a) Corte do Troço, (b) Cortes longitudinais, (c) Corte de

separação das Hatches, (d) Corte de separação Top Cover/Hatches, (e) Corte da

Virola de Acesso à Torre [2]. 32

Fig. 3.6. Marcador do corte do Troço [2]. 32

Fig. 3.7. Linha de corte longitudinal do Troço [1]. 33

Fig. 3.8. Trajecto de corte do Troço [2]. 33

Fig. 3.9. Preparação para corte de Top Cover e Hatches [2]. 34

Fig. 3.10. Mecanismo de encostar peça aos batentes [1]. 34

Fig. 3.11. Exemplo de um dos batentes da parte superior do Troço [1]. 35

Fig. 3.12. Marcador do corte longitudinal do Top Cover/Hatches: (a) Marcador intermédio, (b)

Marcador inicial ou final [1]. 35

Fig. 3.13. Linha de corte longitudinal [1]. 35

Fig. 3.14. Trajecto dos cortes longitudinais [2]. 36

Fig. 3.15. Trajecto de corte das Hatches [2]. 36

Fig. 3.16. Trajecto de corte Top Cover/Hatches [2]. 37

Fig. 3.17. Peças resultantes da parte superior do Troço: (a) Top Cover, (b) Hatches [1]. 37

Fig. 3.18. Trajecto de corte da Virola de Acesso à Torre [2]. 38

Fig. 3.19. Leitura e corte do Troço [2]. 39

Fig. 3.20. Leitura e corte do Top Cover e Hatches [2]. 41

Fig. 3.21. Leitura e corte da Virola de Acesso à Torre [2]. 42

Fig. 3.22. Componentes THC ArcGlide [55]. 43

Fig. 4.1. Gráfico da velocidade de corte para o aço [56] (p.19). 46

Fig. 5.1. Suporte de tocha antigo [2]. 49

Fig. 5.2. Distância entre Troço e Gabari [2]. 50

xiii

Fig. 5.3. Suporte de tocha novo [1]. 50

Fig. 5.4. Cortes no Berço Inferior [2]. 51

Fig. 5.5. Esquema de corte do Troço [2]. 51

Fig. 5.6. Busca da base do Gabari Inferior [2]. 52

Fig. 5.7. Vista pormenorizada da detecção da base do Gabari Inferior [2]. 52

Fig. 5.8. Definição de trajectórias no corte do Troço [2]. 54

Fig. 5.9. Vista lateral dos pontos de corte do Troço [2]. 55

Fig. 5.10. Vista superior ilustrativa das cotas do Troço [2]. 55

Fig. 5.11. Cotas de corte do Troço: (a) Diâmetro menor, (b) Diâmetro maior [2]. 55

Fig. 5.12. Vista superior do Troço [2]. 56

Fig. 5.13. Pino posicionador do Gabari Superior [1]. 58

Fig. 5.14. Posição do Gabari Superior: (a) Posição1, (b) Posição 2. 59

Fig. 5.15. Batente do Gabari Superior: (a) Posicionamento, (b) Imagem do Batente. 59

Fig. 5.16. Esquema de corte das barras longitudinais [2]. 59

Fig. 5.17. Busca de aresta do Gabari Superior [2]. 60

Fig. 5.18. Vista pormenorizada da detecção da aresta do Gabari Superior [2]. 60

Fig. 5.19. Definição de trajectórias no corte longitudinal [2]. 61

Fig. 5.20. Pontos de corte das barras longitudinais do Top Cover e Hatches [2]. 62

Fig. 5.21. Vista superior ilustrativa das cotas do Top Cover e Hatches (vista superior) [2]. 62

Fig. 5.22. Vista superior do Top Cover e Hatches [2]. 63

Fig. 5.23. Alteração nos pontos de corte das barras longitudinais do Top Cover e Hatches [2]. 65

Fig. 5.24. Representação do corte do Top Cover/Hatches [2]. 66

Fig. 5.25. Busca de início de peça para corte do Top Cover/Hatches [2]. 66

Fig. 5.26. Vista pormenorizada da detecção da aresta para o corte do Top Cover/Hatches [2]. 67

Fig. 5.27. Definição de trajectórias no corte de separação do Top Cover/Hatches [2]. 68

Fig. 5.28. Pontos de corte da separação do Top Cover/Hatches [2]. 68

Fig. 5.29. Vista do corte de separação do Top Cover/Hatches [2]. 70

Fig. 5.30. Alteração aos pontos de corte da separação do Top Cover/Hatches [2]. 74

Fig. 5.31. Representação do corte de separação das Hatches [2]. 75

Fig. 5.32. Vista global para referenciar o corte das Hatches [2]. 75

Fig. 5.33. Referenciador do corte de separação das Hatches e respectivo ponto de referência [1]. 76

Fig. 5.34. Definição da trajectória para centrar o corte de separação das Hatches[2]. 76

Fig. 5.35. Definição de trajectórias do corte de separação das Hatches [2]. 77

Fig. 5.36. Pontos de corte da separação das Hatches [2]. 78

Fig. 5.37. Vista superior do corte das Hatches [2]. 79

xiv

Fig. 5.38. Corte da Virola de Acesso à Torre [2]. 81

Fig. 5.39. Vista global para referenciar o corte da Virola de Acesso à Torre [2]. 82

Fig. 5.40. Referenciador do início do corte da Virola de Acesso à Torre e respectivo ponto de

referência [2]. 82

Fig. 5.41. Ponto de referência do fim do corte da Virola de Acesso à Torre [2] 83

Fig. 5.42. Definição da trajectória para iniciar as buscas do corte da Virola de Acesso á Torre

[2]. 83

Fig. 5.43. Trajectória de corte e busca do ponto final [2]. 84

Fig. 5.44. Trajecto para definição do ponto final do corte circular [2]. 84

Fig. 5.45.Exemplo de recta de conversão [59] (adaptado p.3-32). 86

Fig. 5.46. Transdutor BUM [63]. 86

Fig. 5.47. Filtro [64]. 87

Fig. 5.48. Esquema representativo das interligações entre os vários equipamentos. 87

Fig. 5.49. Quadro: (a) Ligações, (b) Aspecto exterior [1]. 88

Fig. 5.50. Representação do funcionamento do seguimento de junta [2]. 89

Fig. 5.51. Exemplos de gráficos da entrada analógica: (a) Caso da soldadura, (b) Caso do corte. 90

Fig. 5.52. Esquema para obter tensão de saída do BUM. 90

Fig. 5.53. Esquema de simulação do hardware. 91

Fig. 6.1. Analisador instalado no quadro [1]. 99

Fig. A1.1. Exemplo do início de corte. 112

Fig. A1.2. Comparação de vários cortes com o mesmo tempo de espera inicial. 112

Fig. A1.3. Exemplos de cortes: (a) Superfície frontal de corte, (b) Superfície oposta ao corte. 113

Fig. A1.4. Resultado de limpeza dos cortes 5, 6, 7 e 8. 114

Fig. A1.5. Resultado de limpeza do corte 1, 2, 3 e 4. 114

Fig. A1.6. Vista do corte 10: (a) Superfície frontal, (b) Superfície oposta. 115

Fig. A1.7. Vista do corte 1 com ponto intermédio: (a) Superfície frontal, (b) Superfície oposta. 116

Fig. A1.8. Definição da movimentação do robô com a instrução CNT [59] (p.8-45). 117

Fig. A1.9. Imperfeição no corte 2 na região do ponto intermédio. 117

Fig. A1.10. Vista do corte 3 por troços com ponto intermédio: (a) Superfície frontal, (b)

Superfície oposta. 118

Fig. A1.11. Vista do corte 4 por troços com ponto intermédio: (a) Superfície frontal, (b)

Superfície oposta. 118

Fig. A1.12. Teste de corte circular com pontos FINE. 119

Fig. A1.13. Teste de corte circular com pontos CNT. 120

Fig. A1.14. Teste de corte com offset do robô para distâncias médias. 122

Fig. A1.15. Primeiro teste de corte com offset do robô para distâncias curtas. 123

xv

Fig. A1.16. Segundo teste de corte com offset do robô para distâncias curtas. 123

Fig. A1.17. Teste de corte com offset dos eixos externos. 125

Fig. A1.18. Janela de configuração para o método dos seis pontos [59] (adaptado p.21-15). 126

Fig. A1.19. Gravação dos três primeiros pontos para definição do TCP [59] (p.21-13). 126

Fig. A1.20. Parâmetros de configuração do touch sensing – touch schedule 1 [41] (p.53). 127

Fig. A1.21. Sólido modelo para exemplificar buscas 2D de cantos geométricos. 128

Fig. A1.22. Sólido modelo para exemplificar buscas 3D de cantos geométricos. 129

Fig. A1.23. Sólido modelo para exemplificar buscas 2D de arestas. 130

Fig. A1.24. Sólido modelo para exemplificar buscas de vértice. 131

Fig. A1.25. Fluxograma das etapas para o processo de buscas 3D. 132

Fig. A1.26. Fluxograma do funcionamento da função skip condition. 134

xvii

Lista de Tabelas

Tabela 4.1. Dados para corte com aço carbono [56] (p.49) 47

Tabela 5.1. Principais dados do Troço. 56

Tabela 5.2. Cálculos do corte do Troço. 57

Tabela 5.3. Principais dados do Top Cover e Hatches. 63

Tabela 5.4. Cálculos dos cortes longitudinais. 64

Tabela 5.5. Principais dados do corte de separação do Top Cover/Hatches. 69

Tabela 5.6. Cálculo de catetos adjacentes e opostos para cada ponto. 71

Tabela 5.7. Valor dos deslocamentos. 71

Tabela 5.8. Cálculo de catetos adjacentes e opostos para o valor do raio de buscas. 72

Tabela 5.9. Valores das componentes de deslocamento do robô para efectuar as buscas. 73

Tabela 5.10. Valor das componentes para afastamento do robô da chapa. 73

Tabela 5.11. Principais dados do Troço. 78

Tabela 5.12. Cálculos do corte das Hatches. 80

Tabela 6.1. Melhoria produtiva. 94

Tabela 6.2. Tempos de processo para o corte do Troço antes da automatização. 95

Tabela 6.3. Tempos de processo para o corte do Troço depois da automatização. 95

Tabela 6.4. Tempos de processo para o corte do Top Cover e Hatches antes da automatização. 96

Tabela 6.5. Tempos de processo para o corte do Top Cover e Hatches depois da automatização. 96

Tabela 6.6. Tempos de processo para o corte da Virola de Acesso à Torre antes da

automatização. 97

Tabela 6.7. Tempos de processo para o corte da Virola de Acesso à Torre depois da

automatização. 98

Tabela A1.1. Valores dos parâmetros para doze testes de corte. 111

xix

Nomenclatura

Abreviaturas

2D “Duas dimensões”; bidimensional

3D “Três dimensões”; tridimensional

ABB “Asea Brown Boveri”; fabricante de manipuladores industriais

AGV “Automated Guided Vehicle”

CD “Compact Disc”

cm “Centímetro”

CNC “Computer Numerical Control”

DC Corrente contínua

ESTV “Escola Superior de Tecnologia de Viseu”

FANUC “Fujitsu Automated Numerical Control”; fabricante de manipuladores industriais

FEUP “Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto”

ipm “Polegadas por minuto"

ISEC “Instituto Superior de Engenharia de Coimbra”

IST “Instituto Superior Técnico”

MIG/MAG “Metal Inert Gas / Metal Active Gas”

min “Minutos”; unidade de tempo

mm “Milímetros”; unidade de medida de comprimento

mm/s Velocidade de deslocamento

NASA “National Aeronautics and Space Administration”

pol “Polegada”

RIA “Robotics Institute of America”

s “Segundos”

SA “Sociedade Anónima”

SCARA “Selective Compliant Assembly Robot Arm”

SGPS “Sociedade Gestora de Participações Sociais”

THC “Torch Height Control”; Controle de altura da tocha

x Coordenada do sistema de eixos

y Coordenada do sistema de eixos

z Coordenada do sistema de eixos

xx

Letras e símbolos

˚ Graus; medida de ângulo

% Percentagem

A Ampere; unidade de medida da corrente eléctrica

k Kilo; prefixo do sistema internacional

m Metros; unidade de medida de comprimento

V Volt; unidade de medida da tensão eléctrica

Wh Watts/hora; unidade de energia eléctrica

Nomenclatura do robô

CNT “Continuous Termination Type”; “Tipo de terminação contínua”. Pode ser definido de

CNT0 a CNT100. O número seguinte ao CNT define o quão próximo fica o robô do

ponto. Se para CNT0 o robô passa o mais próximo possível do ponto com uma

desaceleração máxima, para o CNT100, o robô passa mais afastado com desaceleração

mínima.

DO “Digital Output”; saída digital

FINE Tipo de terminação exacta. A linha que contiver esta instrução faz com que o robô se

movimente até ao ponto preciso sem qualquer tipo de desvio.

I/O “Input”/“Output”

L Movimento linear

LBL “Label”; instrução para onde deve ir um determinado salto

OFF/ON Desligado/Ligado

Offset Sigla usada para definição de deslocamentos

PR “Position Register”; posição de registo

PTH Instrução de aceleração de movimento entre cada posição para ser usada numa série de

posições próximas. Esta instrução diminui o tempo de execução de parte do programa.

sec “seconds”; segundos

TCP “Tool Center Point”; ponto central da ferramenta

WAIT Espera temporal

WI/WO “Welding input”/“Welding output”

1

1 Introdução

Nos últimos anos, no sector da indústria, tem-se assistido a um mercado extraordinariamente

competitivo. Daí resulta a necessidade de desenvolver e construir produtos de uma forma rápida e

eficiente, que seja associada a baixos custos e, acima de tudo, que possuam muito boa qualidade final.

Razões como estas levam a que a indústria esteja obrigatoriamente sujeita a uma necessidade de

melhoria constante, para aumentar a sua produtividade e garantir uma posição de destaque no mercado

em que se encontra inserida.

Neste contexto, é importantíssimo que as indústrias possuam células robotizadas para garantir

celeridade nos processos de fabrico, acomodar a introdução de alterações regulares nos produtos

fabricados e permitir que as alterações do produto não façam com que o investimento inicial tenha

constituído um desperdício de recursos escassos. Utilizando células robotizadas as alterações no

processo normal de funcionamento não implicam, em geral, custos elevados, apenas exigindo a

reprogramação da célula. Estas células robotizadas aliam a regularidade no funcionamento ao rigor no

fabrico, aos baixos custos de produção e a uma elevada qualidade nos resultados das tarefas que

desempenham. A realização de tarefas em que a sua execução se torna mais fácil utilizando robôs, é

possível muitas vezes devido ao desenvolvimento de células de dimensão bastante elevada.

Fazem parte integrante das células robotizadas, maioritariamente, os robôs manipuladores. Estes

podem desempenhar variadíssimas tarefas e garantir um trabalho realizado, em quantidade e

qualidade, muitíssimo superior aos de um operador humano. Para os administradores das empresas,

são encarados como um meio para atingir um fim: uma de mão-de-obra mais barata, mais precisa e

regular, que resulta num processo produtivo mais rápido e que gera produtos com melhor qualidade.

Do ponto de vista dos operadores humanos permite libertá-los do desempenho de tarefas pesadas e

repetitivas, por vezes em ambientes muito agressivos.

Assim, cada vez mais, a indústria aposta na automatização robotizada, de modo a poder obter

muitos e diversos benefícios.

Objectivos do estágio 1.1

O estágio curricular, inserido no plano do mestrado em Automação e Comunicações em Sistemas

de Energia tem como objectivo a aplicação em ambiente industrial dos conhecimentos adquiridos no

decorrer da formação académica de licenciatura e mestrado.

Uma característica fundamental do estágio curricular é a de, simultaneamente com a elaboração

de um trabalho final para a obtenção de um grau académico, possibilitar a aproximação do aluno ao

2

meio industrial e ao mundo de trabalho, permitindo o contacto com a realidade que se encontra

associada ao seu futuro percurso profissional.

Para a empresa, o objectivo passa por aliar a colaboração na profissionalização de uma pessoa

qualificada à possibilidade de elaboração de um projecto específico, com o objectivo de introduzir

uma melhoria, neste caso, no ciclo produtivo da indústria em causa.

Em resumo, o objectivo do estágio consiste em enfrentar um desafio profissional em meio

industrial, em estreita colaboração com uma empresa, permitindo a aquisição de muitos e valiosos

conhecimentos práticos, ao mesmo tempo que obriga a que se aprofundem os conhecimentos teóricos

adquiridos na formação académica anterior.

A empresa Martifer 1.2

A Martifer conta com um historial no sector do fabrico de estruturas metálicas desde 1990, ano

em que foi fundada.

Actualmente a Martifer SGPS, SA é uma Holding de um grupo de empresas com dois sectores de

actividade distintos: as Energias Renováveis e as Construções Metálicas.

No sector das Energias Renováveis desenvolve a sua actividade nas áreas da construção de

equipamentos para energia através da Martifer Energy Systems, a construção de módulos fotovoltaicos

e projectos com a Martifer Solar, e a RE Developer – Promoção e Desenvolvimento de Projectos

Eólicos através da Martifer Renewables [4].

Enquadramento do estágio na área de negócios da empresa - 1.3

Martifer Energy Systems

Com o crescimento da exploração das energias renováveis surge a necessidade de criar indústrias

destinadas à construção dos equipamentos necessários para a produção de energia a partir de fontes

renováveis. Assim, surge a Martifer Energy Systems – Fábrica de Componentes, dedicada única e

exclusivamente à produção da Canopy1 para torres eólicas (Fig. 1.1).

1 Canopy é um elemento integrante de uma torre eólica. Pode ser comparado ao termo português “barquinha”.

3

Fig. 1.1. Canopy [1].

A Canopy é um dos elementos constituintes das torres eólicas. Na Fig. 1.2, assinalada com um

círculo cor-de-laranja, ilustra-se uma Canopy, e a respectiva localização no topo de uma torre eólica.

Fig. 1.2. Localização da Canopy na torre eólica [5] (adaptado).

Com a produção de equipamentos para energia tendo como principal recurso a chapa de aço

estrutural, o processo de construção implica um elevado número de cortes e soldaduras. Deste modo

surge a necessidade de instalar um conjunto de robôs e células robotizadas que permitam a

automatização da fábrica e, ao mesmo tempo, garantam a produção de equipamentos de elevada

qualidade com contratação de uma mão-de-obra menos qualificada.

Em simultâneo com a soldadura encontra-se o processo de corte de peças com dimensão muito

elevada, com a correspondente complexidade de execução dos cortes, que só são possíveis recorrendo

a células robóticas que permitam um elevado volume de trabalho.

Assim surge a necessidade de automatizar as células robóticas de modo a que estas estejam o

menos possível dependentes de operadores humanos, seja pela falta de elevado grau de rigor que estes

apresentam quando comparados com os robôs, seja pela retribuição financeira com o valor da

mão-de-obra.

4

Organização/estrutura do relatório 1.4

O presente relatório está estruturado numa sequência que se pretende lógica de assuntos, de

forma a permitir a um leitor com conhecimentos médios de engenharia, e que não possua qualquer tipo

de contacto com este tipo de indústria, compreender o exemplo de automatização descrito e ao mesmo

tempo conhecer o trabalho desenvolvido.

No Capítulo 1 encontra-se exposta a parte introdutória do relatório, incluindo a descrição da

empresa onde o trabalho foi desenvolvido e, esta organização do relatório.

O Capítulo 2 apresenta alguma da tecnologia associada ao trabalho, desenvolvido e uma

exposição da sequência do processo de fabrico seguido na indústria em causa. Atendendo ao facto de o

trabalho envolver robôs era essencial que fosse apresentada alguma informação relativa aos mesmos,

designadamente: definições, tipos, aplicações, características, configurações, ferramentas,

programação, vantagens e desvantagens da respectiva utilização. Neste capítulo foi ainda abordado o

corte a plasma, apresentando-se alguma informação sobre o processo de corte, tocha, máquinas e

vantagens relativas.

O Capítulo 3 é dedicado a apresentar, inicialmente, a célula existente, o processo de corte que se

encontrava implementado, os problemas que lhe estavam associados e a descrição detalhada dos

procedimentos executados para cada corte. Ainda neste capítulo está descrito o processo previsto

inicialmente para cada um dos cortes a executar como por exemplo as sequências de leitura, o corte e

alguns pontos de referência. Apresenta-se também o material necessário previsto para o

desenvolvimento do trabalho assim como as suas funções. Por fim é referido um tipo de solução

tecnológica comum em máquinas de corte a plasma.

No Capítulo 1 são apresentados os parâmetros associados ao corte plasma, nomeadamente:

distâncias, velocidade e espessura da chapa.

O Capítulo 5 descreve todo o processo implementado na automatização da célula robótica.

Características como os pontos de referência, a definição das trajectórias e a programação do corte são

descritas pormenorizadamente neste capítulo. No final deste capítulo é apresentado o equipamento e

uma solução estudada e implementada para a adaptação do robô de soldadura a corte, depois a

aplicação do seguimento de junta em soldadura e por fim a aplicação do seguimento de junta no corte.

O Capítulo 6 e último apresenta as principais conclusões referentes ao desenvolvimento do

trabalho e aos resultados do estágio, assim como algumas perspectivas para trabalho futuro. São ainda

sintetizados neste capítulo os principais ganhos produtivos e energéticos que foram obtidos pela

empresa com a automatização da célula através do trabalho realizado neste estágio.

5

2 Tecnologias Aliadas ao Projecto

O que é uma metalomecânica 2.1

A metalomecânica é uma indústria que, independentemente do produto que construa, trabalha no

seu processo com metal.

Pode construir diversos tipos de produtos, desde a transformação de materiais, construção de

máquinas ou construção de equipamentos. Esta indústria trabalha muitas vezes nos seus processos com

o corte térmico, soldadura, fundição ou maquinagem.

Dependendo da dimensão da empresa assim o produto é concebido. Muitas vezes são usadas

técnicas de produção peça a peça, algumas de pequena dimensão outras grandes, mas tendo em

atenção que as de grande dimensão obrigam a uma rigorosa gestão de tempo e de custos. Uma

deficiente gestão das pessoas e das várias máquinas pode originar custos dos produtos finais

aumentados e, por tal facto, não concorrenciais [6] [7].

Linha de montagem da fábrica 2.2

A fábrica está estruturada em quatro sectores, cada um com as suas funções mas, ao mesmo

tempo, todos trabalhando com o objectivo de obter o produto final com o maior rigor possível.

O sector onde tudo começa é designado por metalomecânica, seguindo-se a armação e soldadura

e, finalmente, o tratamento de superfície.

Metalomecânica 2.2.1

Sendo a primeira secção, este é o local onde a chapa entra pela primeira vez no interior da

fábrica. O primeiro processo a que a chapa é submetida é ao corte, processo que consiste em cortar

peças, por medida, a partir de uma chapa com dimensões standard. O processo de corte é realizado

com recurso a duas máquinas CNC, uma a oxicorte2 e a outra de corte a plasma.

Antes de concretizado o corte, é realizada a furação em algumas das peças através das máquinas

CNC de corte, uma vez que estas possuem um sistema para efectuar tal furação.

2 Oxicorte é um tipo de corte que utiliza oxigénio e gás combustível. Os gases podem ser: acetileno, propano, gás

natural ou gases mistos [8]

6

Segue-se a fase de limpeza das peças, trabalho que consiste em fazer a rebarbagem de todas as

arestas das chapas e das peças cortadas. Como existem alguns furos e arestas que não podem ficar com

os bordos muito vivos, é nesta secção que se procede à execução do boleamento das mesmas. Feito

isto, o passo seguinte é proceder à verificação da furação.

Segue-se a fase da calandragem, o que é efectuado numa máquina (calandra) destinada a dobrar

toda a chapa que necessita de ficar com um determinado nível de curvatura. A maioria das chapas que

são dobradas nesta máquina são chamadas de virolas e ficam com o aspecto que está ilustrado na

Fig. 2.1.

Fig. 2.1. Virola [1].

A fase seguinte é fundamental para a construção do Troço ilustrado na Fig. 2.2. A construção do

Troço é realizada com recurso à máquina de armação crocodilo que “pinga” o conjunto das seis virolas

Fig. 2.2.

Fig. 2.2. Troço - Conjunto de seis virolas [1].

O último trabalho que é desenvolvido na secção da metalomecânica corresponde à execução das

soldaduras que unem as seis virolas, recorrendo à máquina de soldadura chamada de cristo.

Armação e soldadura 2.2.2

Nesta secção da fábrica, tal como o nome indica, procede-se essencialmente à armação e,

posteriormente, à soldadura. A soldadura pode ser manual, através de um operador humano ou

robotizada, recorrendo a robôs instalados na unidade fabril.

7

2.2.2.1 Armação e soldadura manual

O processo que é iniciado nesta secção e onde se desenrolou essencialmente o estágio, diz

respeito ao corte robotizado do Troço ou tubo com dois cortes longitudinais, para que este seja

dividido em duas partes. Depois seguem-se uma série de cortes também robotizados que serão

caracterizados e explicados posteriormente.

Em relação à armação, tal como o nome indica, é o momento em que se procede à montagem de

alguns conjuntos de peças que foram cortadas e trabalhadas na secção da metalomecânica. Com base

em vários modelos de precisão (Gabaris) é executada a assemblagem de várias peças em cada um dos

Gabaris. Posteriormente, os Gabaris, como estão modelados para uma assemblagem uns nos outros,

são montados e os materiais que cada Gabari transporta são “pingados” espaçadamente.

Depois de “pingados” os subconjuntos correspondentes à armação, procede-se à soldadura

manual, processo através do qual se realiza a junção de dois materiais separados. Neste caso, o tipo de

soldadura é a vulgarmente conhecida por MIG/MAG e é feita por operadores humanos.

Na parte final desta secção é realizado o teste funcional, primeiro com o objectivo de verificar se

os vários elementos, quando interligados, estão em conformidade com o pretendido e,

simultaneamente, para averiguar e controlar a existência de excessos nas tolerâncias entre as várias

partes que constituem o produto.

2.2.2.2 Soldadura robotizada

A soldadura robotizada está neste momento implementada recorrendo a quatro robôs, uma célula

com dois robôs da ABB e outra célula com dois robôs da FANUC.

Os robôs da ABB, já bastante antigos, apenas fazem pequenas soldaduras com um tamanho de,

aproximadamente, 15 cm. Estes robôs são bastante limitados pelo facto de não terem algumas

ferramentas que possibilitam a detecção da peça, levando a que, por vezes, surjam problemas no

momento da soldadura.

As peças com maiores dimensões, que possuem maior quantidade e comprimento de soldaduras e

que, consequentemente, demoram mais tempo a soldar, são realizadas na célula dos robôs da FANUC,

por tal ser mais rápido e garantir maior fiabilidade.

Neste momento ainda existem muitos cordões de soldadura3 que são manuais. A imprecisão do

corte robotizado executado no início da secção da armação e soldadura manual levam a que surjam

problemas caso fosse usada a soldadura robotizada para a totalidade das armações.

3 Cordão de soldadura é o resultado da deposição de material fundido, com vista à junção de dois materiais

metálicos inicialmente separados.

8

Tratamento de superfície 2.2.3

A secção do tratamento de superfície é a zona onde é executado o tratamento do produto, e

engloba os seguintes processos: decapagem, metalização, pintura e packing.

A decapagem é um processo que visa dar um tratamento à superfície com o objectivo de eliminar

todos os óxidos. Este processo é realizado no interior de uma cabine através de um robô da Blastman

especialmente concebido para este tipo de trabalho. Este processo é efectuado através de granalha de

aço esférica e angular que é projectada contra a superfície metálica [9] [10].

A metalização visa conceber à peça uma camada fina de metal com o objectivo de obter

essencialmente um maior grau de resistividade contra a corrosão. Actualmente este processo é

executado manualmente por um operador [11].

A fase da pintura é o processo conhecido pelo senso comum, as peças são colocadas dentro de

uma cabine, onde é aplicada a tinta e, posteriormente, ficam a uma temperatura constante durante

determinado período de tempo.

Por fim, o packing consiste em colocar o conjunto de todas as peças que constituem a canopy

numa espécie de molde, para serem transportadas e entregues ao cliente.

Robótica 2.3

Definição de robô 2.3.1

A origem do termo robô advém da palavra checa robota, exprimindo a noção de algo que realiza

trabalhos forçados.

Um robô, independentemente do seu aspecto visual e das suas características mecânicas, pode ser

definido da seguinte maneira: dispositivo ou grupo de dispositivos mecânicos interligados, capazes de

desenvolver trabalho num mundo físico de forma independente, pré-programada ou remotamente

através de um controle humano [12].

A interacção com o mundo físico é realizada com recurso a actuadores e sensores para obter o

estado de variáveis pré-definidas, podendo levar o robô a uma aprendizagem automática, com uma

simulação a nível computacional. Existem factores que serão extremamente difíceis de simular a um

nível computacional, como por exemplo, e desde logo as emoções.

Tipos de robôs 2.3.2

Os robôs estão divididos essencialmente em três categorias. Assim, estas categorias podem ser do

tipo: humanóide, móvel, ou industrial (robótica fixa ou de manipulação).

9

Os robôs humanóides têm o aspecto do ser humano tal como mostra a Fig. 2.3. Estes são

constituídos por cabeça, tronco, membros superiores e membros inferiores, possibilitando uma

interacção com praticamente todos os elementos com que o ser humano se relaciona [13].

Fig. 2.3. Robô humanóide [14].

Os robôs móveis são dispositivos capazes de se moverem de uma forma autónoma, permitindo

que não se encontrem fixos e limitados a uma determinada zona. As movimentações que este robô

efectua são com base no ambiente que os rodeiam, recolhendo sinais através de sensores.

Estes robôs podem ter como meio de locomoção rodas, lagartas ou pernas (formato aranha). O

exemplo da Fig. 2.4 é um robô móvel AGV (Automated Guided Vehicle) que utiliza rodas como meio

de locomoção.

Fig. 2.4. Robô móvel [15].

Relativamente aos robôs industriais, estes podem ser definidos como sendo: “um manipulador

programável multifuncional capaz de manusear materiais, peças, ferramentas ou dispositivos

especiais através de movimentos programados para a realização de uma variedade de tarefas” [16].

Um exemplo de robô manipulador está ilustrado na Fig. 2.5.

10

Fig. 2.5. Robô industrial [17].

Áreas de aplicações dos robôs 2.3.3

A aplicabilidade dos robôs está actualmente presente em variadíssimas tarefas. Nos casos em que

a robótica está presente fora da indústria podemos ver robôs a desenvolver trabalho de exploração, por

exemplo em ambiente espacial, ambiente submerso, ou qualquer outro ambiente com características

severas para a saúde do ser humano ou incompatíveis para a própria vida humana. A Fig. 2.6 mostra

um robô utilizado para exploração do planeta Marte pela NASA.

Fig. 2.6. Robô de exploração [18].

Uma área de aplicação dos robôs em crescente desenvolvimento é na medicina. Nestes casos, os

robôs podem ser simples ajudantes dos médicos para facultar por exemplo comida, medicamentos,

exames, entre outros que a imaginação consiga abarcar. Embora nestes casos os robôs contribuam para

o sucesso de uma quantidade significativa de processos, estes, ainda assim não têm uma função tão

crucial como aqueles que são utilizados nas operações à distância. Esta solução é utilizada por um

médico que, à distância, tem o controlo total do robô.

Numa outra área, completamente diferente, já existem soluções robotizadas que permitem por

exemplo, a limpeza de superfícies (chão).

No campo militar existem, por exemplo, robôs de reconhecimento de minas, explosivos, entre

outros. Actualmente encontra-se em desenvolvimento, e numa fase de melhoria contínua pela Boston

11

Dynamics, o BigDog [19]. Este projecto consiste no desenvolvimento de um robô dedicado única e

exclusivamente a fins militares para transporte de cargas (Fig. 2.7).

Fig. 2.7. Robô militar Bigdog [20].

Depois de descritos alguns tipos de aplicações de robôs para utilizações menos vulgares que os

industriais, mas que têm uma grande complexidade ao nível da concepção, construção e programação,

passamos a apresentar o tipo de robôs que, na generalidade dos casos, são aplicados na indústria, ou

seja, os robôs manipuladores, como por exemplo o da Fig. 2.8.

Fig. 2.8. Robô manipulador ABB IRB1410 [21].

Os robôs manipuladores têm uma elevada aplicabilidade em qualquer tipo de indústria, motivada

pelo facto de existir uma panóplia de ferramentas que se podem aplicar ao robô de maneira a este

desenvolver um tipo de trabalho diferente.

Na maioria das vezes são aplicados na linha de produção, podendo desempenhar trabalho a título

exemplificativo na indústria alimentar; em fundições; soldadura; pintura; corte; decapagem;

manipulação de materiais (qualquer tipo de material); carregamento de máquinas ferramenta;

carregamento de máquinas com materiais (por exemplo as CNC); paletização; operações de

montagem; embalagem ou inspecção, etc [22] (p. 27).

12

Estes são apenas alguns exemplos de trabalho que um robô pode efectuar, sendo apenas

necessário alterar a ferramenta de trabalho.

Características de um robô industrial 2.3.4

Um robô é caracterizado por um conjunto de especificidades. Desde logo, pode destacar-se a

fiabilidade, como sendo a probabilidade de um equipamento cumprir a sua função, durante

determinado período de tempo, mediante condições próprias [23] (slide 20).

As características das juntas podem ser divididas em dois conjuntos: as de rotação e as de

translação que também podem ser chamadas de lineares ou prismáticas.

As juntas de rotação são caracterizadas por uma posição angular, tal como mostra a Fig. 2.9.

Fig. 2.9. Junta ou eixo de rotação [24] (adaptado slide n.º5).

As juntas de translação, também conhecidas por lineares ou prismáticas têm a característica de

variar em comprimento como o exemplo seguinte (Fig. 2.10).

Fig. 2.10. Junta linear [24] (adaptado slide n.º5).

O último tipo de juntas designa-se junta esférica. Como mostra a Fig. 2.11, esta junta pode variar

simultaneamente em três eixos que têm direcção distinta.

Fig. 2.11. Junta esférica [25] (adaptado p.2-6).

13

A capacidade de carga de um robô é a massa que este é capaz de suportar na sua extremidade

durante movimentos, sem colocar em causa ou danificar características dinâmicas e estáticas, que teria

como resultado a colocação em causa da sua fiabilidade. É evidente que a capacidade de carga

suportável de um robô depende da sua estrutura. Tal como mostra a Fig. 2.12, para uma estrutura com

a mesma dimensão, mas com maior comprimento no último segmento, menor será a sua capacidade de

carga.

Fig. 2.12. Capacidade de carga de um robô [26] (slide 29).

A velocidade de um robô diz respeito à velocidade máxima com que o robô consegue

movimentar o seu punho. A velocidade de um robô pode variar de movimentos mínimos

(incrementos) até velocidades, tipicamente, de uns metros por segundo. Pormenores como a tarefa ou

a carga condicionam a velocidade do robô, levando estas a terem de ser mais reduzidas no momento

da programação [27] (slide 68).

Também o tipo de actuadores influencia a velocidade, ou seja, um actuador eléctrico tem uma

velocidade elevada e quanto ao ajuste este tem um controlo muito fino quando comparado com

actuadores pneumáticos que têm uma velocidade elevada mas uma baixa precisão. Os actuadores

hidráulicos têm uma velocidade média e uma boa precisão devido à não compressibilidade do óleo que

faz movimentar as juntas [25] (p. 2-3).

A próxima característica a ser descrita é a definição de área de trabalho. Assim, a área ou

volume de trabalho pode ser definido como a região espacial onde o braço mecânico do robô consegue

posicionar o seu punho se não tiver uma ferramenta acoplada, no caso de ter uma ferramenta acoplada

é a região onde pode posicionar a ferramenta. O volume de trabalho de um robô pode variar

dependendo das suas características de construção, por exemplo um robô com configurações

cilíndricas tem um volume de trabalho diferente de um cartesiano (ver diferença quando nos

referirmos às configurações de robôs) [26] (slide 30).

A Fig. 2.13 mostra o volume de trabalho esférico associado ao robô FANUC ARC Mate 100iBe.

Esta figura mostra a envolvente através de uma nuvem que o robô é capaz de atingir.

14

Fig. 2.13. Volume de trabalho do robô FANUC ARC Mate 100iBe [1].

Precisão (ou repetibilidade), exactidão e resolução são propriedades associadas às

características dinâmicas dos robôs. A precisão pode ser definida como a competência que um robô

tem em atingir, dentro do seu volume de trabalho, sempre o mesmo ponto. A exactidão é definida

como a capacidade que um robô tem em atingir um ponto específico, dentro do seu volume de

trabalho, através das suas coordenadas. Já a resolução pode ser compreendida como o incremento

mínimo de distância, ou movimento mínimo, que um robô está apto a percorrer [26] (slide 44).

Para um melhor esclarecimento da diferença entre precisão e exactidão apresenta-se a imagem da

Fig. 2.14.

Fig. 2.14. Exactidão versus repetibilidade [26] (slide 45).

Elementos envolvidos na operação de um robô 2.3.5

Um robô é constituído por um conjunto de, no mínimo, três elementos fundamentais para

possibilitar o seu funcionamento e programação. Assim, quando mencionamos o termo robô, estamos

15

a referir-nos ao conjunto formado por manipulador, controlador e consola de programação, como

mostra a Fig. 2.15.

No que respeita ao manipulador, este é um dispositivo que desenvolve a tarefa para o qual foi

programado. A sua constituição é caracterizada por um número de segmentos metálicos, unidos entre

si, recorrendo a juntas. Estas juntas, como foi dito anteriormente podem ser de rotação ou de

translação. É caracterizado por uma das suas extremidades estar unida com uma base sólida (por

exemplo chão, eixos externos) e a outra extremidade ser móvel, a partir da qual é possível executar

determinada tarefa. No manipulador, alguns dos quais no seu interior, estão integrados todos os

actuadores que desenvolvem trabalho directamente no elemento mecânico, situados junto ao

respectivo eixo de rotação ou translação [28] (p.3) [29] (slide 3).

Por sua vez, o controlador é um dispositivo destinado a controlar todos os movimentos

executados pelo manipulador. Fundamentalmente, este dispositivo processa a informação recebida do

operador e a adquirida através dos sensores que rodeiam o robô, os quais são utilizados para efectuar

operações de cálculo que, dependendo da programação efectuada pelo programador, assim são,

posteriormente, enviados os sinais respectivos para cada um dos actuadores. Paralelamente a isto, o

controlador pode executar procedimentos que visam o registo de dados, registo de variáveis do

processo, ou a comunicação com dispositivos externos [28] (p.3) [29] (slide 4).

O terceiro componente que se revela imprescindível para a programação do robô é a consola de

programação. A consola, para além de possibilitar a programação do robô, também tem funções de

configuração e monitorização.

Como ferramenta adicional, pode ser utilizado um computador para programar o robô. No

entanto, nem todas as indústrias trabalham deste modo pelo facto de ser necessário despender recursos

económicos com o software, ou por julgarem ser mais adequado programar o robô directamente numa

peça real que num mundo virtual que, posteriormente, exigiria que fossem afinados eventuais desvios

na peça real.

(a) (b)

Fig. 2.15. Elementos do robô: (a) Controlador e consola de programação [30], (b) Manipulador [31]).

16

Configurações físicas de robôs 2.3.6

A configuração de um robô industrial pode variar dependendo do tipo de juntas de que o robô é

constituído.

Uma configuração praticável é o robô ser polar ou esférico como mostra a Fig. 2.16. Este robô

possui três juntas, a primeira e a segunda são de rotação e a terceira é uma junta prismática. Uma

aplicação deste robô pode ser na paletização.

Fig. 2.16. Robô polar ou esférico [32] (p.3).

O robô cilíndrico ilustrado na Fig. 2.17 é constituído por uma primeira junta de rotação na base

seguido de duas juntas lineares, a primeira vertical e a última horizontal. A aplicação típica deste robô

é no corte laser ou na soldadura.

Fig. 2.17. Robô cilíndrico [32] (p.3).

O robô cartesiano da Fig. 2.18 é caracterizado pelas suas juntas serem todas de translação. Este

robô possui a primeira junta de translação vertical e as duas seguintes são horizontais. A aplicação

deste robô é muito diversa, sendo normalmente usado numa gama de grandes dimensões, por exemplo

uma máquina CNC de corte só tem juntas de translação.

Fig. 2.18. Robô cartesiano [32] (p.3).

17

O robô em pórtico também é cartesiano uma vez que só tem juntas de translação. A única

diferença do robô cartesiano para o robô em pórtico é que este está suspenso no ar (num pórtico).

Fig. 2.19. Robô pórtico [25] (adaptado p.2-8).

Robô antropomórfico, articulado ou em braço como mostra a Fig. 2.20, é o nome atribuído a um

robô que apenas possua juntas de rotação. Devido às suas semelhanças a um braço humano este robô

pode ser utilizado na generalidade das aplicações devido à sua estrutura extraordinariamente

multifacetada.

Fig. 2.20. Robô antropomórfico, articulado ou em braço [32] (p.3).

O robô SCARA da Fig. 2.21 tem uma característica particular em relação a todos os outros robôs,

ou seja, a sua estrutura não é suportada por qualquer um dos motores que o constituem. Caracterizado

pela sua rapidez na execução dos processos e excelente repetibilidade é usado muito frequentemente

para montagem de componentes.

Fig. 2.21. Robô SCARA [25] (adaptado p.2-9).

Na Fig. 2.22 está ilustrado um robô paralelo. Este robô tem duas bases, uma fixa no chão ou

numa base e a outra móvel dependendo das posições das juntas. É constituído unicamente por juntas

de translação, mas com a particularidade de serem montadas paralelas umas às outras, daí chamar-se

robô paralelo. A utilização deste robô é muito comum em simuladores de voo.

18

Fig. 2.22. Robô paralelo [26] (slide 37).

Tipos de ferramentas/end effectors 2.3.7

O dispositivo que um manipulador tem na sua extremidade depende do tipo de tarefa que o robô

vai desempenhar. Assim, o dispositivo que existe na extremidade do manipulador para desempenhar

uma tarefa terá de ser necessariamente diferente para desempenhar outra tarefa. Portanto, da mesma

forma que existe uma enorme diversidade de aplicações para os robôs desenvolverem trabalho,

também existe uma enorme variedade de dispositivos de trabalho.

Os dispositivos de trabalho podem dividir-se em dois grandes grupos: as garras e as ferramentas

[33] (slide 52).

O grupo das garras pode, por sua vez, ser dividido também em dois grupos: as mecânicas e as não

mecânicas.

As garras mecânicas usam dedos mecânicos activados por um aparelho (motor, ar comprimido,

…), já as garras não mecânicas são dispositivos que fazem a preensão/pega de um objecto com recurso

a outros meios que não sejam os mecânicos (por exemplo íman ou ventosas) [33] (slide 53 e 54).

Para manipulação, geralmente são usadas pinças com dois dedos como a da Fig. 2.23, embora

possam existir diversas configurações (dois ou mais dedos, ou alguma com alguns dos dedos fixos) e

casos em que a mesma ferramenta tem mais do que uma única pinça. A configuração das garras

também depende da maneira como se faz a pega no objecto.

Fig. 2.23. Ferramenta do tipo garra mecânica [34].

Para os casos de garras não mecânicas podem existir aparelhos que trabalham com um íman,

permitindo através da indução a movimentação de peças, com ventosas para fazer o efeito de sucção

(Fig. 2.24), com ganchos, ou com garras adesivas.

19

Fig. 2.24. Garra não mecânica do tipo ventosa [35].

No campo das ferramentas, para o caso da soldadura a arco, a ferramenta do robô é uma tocha de

soldar com um aspecto muito similar às tochas manuais. A Fig. 2.25 mostra um exemplo de uma tocha

de soldar, embora estas possam ter configurações diferentes para um tipo de soldadura exactamente

igual (por exemplo o ângulo de curvatura pode ser maior ou menor).

Fig. 2.25. Exemplo de tocha de soldar [36].

É evidente que também existem variações na tocha dependendo do tipo de soldadura, por

exemplo, se for uma soldadura por pontos (tipicamente usada na indústria automóvel), a tocha será

necessariamente diferente da tocha de soldadura por arco, tal como mostra a Fig. 2.26.

Fig. 2.26. Tocha de soldadura por pontos [37].

Nos casos em que a tarefa é de pintura, o mais comum é o robô ter uma pistola de pintar ou

sistema equivalente que permita projectar a tinta na superfície pretendida.

20

Uma vez que o presente trabalho é sobre o corte, a integração de uma tocha de corte como

ferramenta pode ser feita num robô, sendo apenas necessário construir ou comprar um suporte para a

segurar na extremidade do robô manipulador, e como é óbvio, é necessário comprar a respectiva

máquina para alimentar a tocha de corte plasma.

Estes são alguns exemplos de ferramentas, mas como já foi dito, existe uma grande diversidade

de ferramentas dependendo do tipo de aplicação/finalidade visada.

Programação de robôs 2.3.8

Realizar a programação de um robô não é mais do que ensinar ao robô os movimentos que este

tem de efectuar para desempenhar, com sucesso, uma tarefa em específico.

A programação de um robô envolve a memorização de um conjunto de pontos que,

posteriormente, precisam de ser percorridos segundo uma sequência pré-definida, pontos estes que são

definidos pelos valores de posição das várias juntas (sejam de rotação ou translação). Quando é

realizada a memorização dos pontos de um determinado programa, são definidas obrigatoriamente os

tipos de trajectórias, as velocidades de deslocamento entre as sequências de pontos memorizados e os

tipos de terminações nos pontos. Adicionalmente podem ser integradas instruções específicas de início

ou fim de soldadura, acelerações na movimentação entre pontos, de sinais externos (por exemplo

sinais de máquinas ou sensores), etc.

Para além destas características, quando efectuamos a programação existem muitos mais aspectos

e elementos da programação como por exemplo: constantes, variáveis, definição do sistema de

coordenadas, definição da ferramenta, operadores de cálculo aritmético, entre outros [38] (slide 3) [39]

(p.21).

2.3.8.1 Modo de programação “on-line”

O modo de programação “on-line” requer a utilização intensiva do robô, daí que, muitas das

vezes, surja a necessidade de parar a produção. Este tipo de programação é efectuada com recurso à

movimentação do robô utilizando a sua consola de programação, sendo que, em alguns casos, são

usadas teclas de direcção e, noutros, joysticks, dependendo do fabricante.

Neste caso de programação com consola, o robô é deslocado na sua área de trabalho conforme o

interesse do programador, sendo memorizados os pontos que o robô deve visitar quando em modo

automático [38] (slide 7) [39] (p.21).

Um exemplo de consola de programação que permite movimentar e criar programas “on-line”

pode ser observado na Fig. 2.27.

21

Fig. 2.27. Exemplo de consola de programação FANUC [40].

A consola de programação é muito versátil, especialmente quando se pretende introduzir

pequenas alterações no programa, uma vez que, para o processo de programação de uma peça com

muitos pontos, o processo, se efectuado através de uma consola, consome um tempo excessivo.

As linhas que constituem um programa com esta linguagem (TP) são do tipo que está

apresentado na Fig. 2.28.

Fig. 2.28. Elementos que constituem uma linha de programação TP [41].

2.3.8.2 Modo de programação “off-line”

Este modo de programação, quando realizado, é praticado recorrendo a um computador que se

encontra num local externo à célula de trabalho onde o robô está instalado, utilizando um software de

22

simulação que envolva o robô, o ambiente de trabalho que rodeia o robô real e as peças onde o robô

vai trabalhar.

Neste modo de programação, caso tal não se encontre efectuado desde que se compra a célula

robótica é, inicialmente, necessário modelar a célula robótica que existe na realidade; definir todas as

ferramentas intervenientes no processo caso exista uma ou várias; definir o sistema de coordenadas

para cada uma das peças caso existam várias; desenvolver os programas pretendidos e respectivo

código para o robô executar; durante o processo de programação verificar potenciais colisões do robô

com objectos envolventes e, por fim, proceder ao envio dos programas para o robô. Estes são os

passos para a programação “off-line” apesar de, posteriormente, ser ainda necessário calibrar o sistema

de coordenadas que foi definido na célula virtual, na célula real, a partir da qual o robô vai passar a ter

todas as suas referências.

Relativamente à linguagem de programação do robô em ambiente virtual, no caso dos robôs

FANUC, a linguagem utilizada é rigorosamente igual à linguagem usada na consola de programação

do robô, não sendo tal facto que poderá originar algum impedimento no uso deste tipo de

programação.

Este modo de programação possui alguns inconvenientes em relação ao modo “on-line”, uma vez

que surgem erros de modelização da célula de trabalho, erros de posicionamento do robô às peças e,

por vezes, alterações mecânicas na célula, ou seja, desvios não desejados devido a deficiente uso dos

equipamentos [38] (slide 15-16) [39] (p.23-26).

Existem simuladores para cada marca de robô, mas na Fig. 2.29 mostra-se um exemplo de um

ambiente de simulação para um robô FANUC.

Fig. 2.29. ROBOGUIDE da FANUC [1].

23

Vantagens e desvantagens dos robôs industriais 2.3.9

2.3.9.1 Vantagens

As vantagens que estão associadas à utilização dos robôs manipulares na indústria são várias e

consistentes.

Estes são capazes de realizar trabalhos pesados, desagradáveis, monótonos ou repetitivos, sem

que se queixem e sem diminuírem o ritmo de trabalho, prosseguindo com a mesma rapidez nos

processos em execução e continuamente. Podem trabalhar 365 dias por ano, sete dias por semana,

vinte e quatro horas por dia, conseguindo uma maior quantidade e qualidade nos produtos que fazem

quando comparados com a mão-de-obra humana.

A precisão e exactidão dos robôs são muito maiores do que aquelas que apresenta o ser humano,

o que faz com que os robôs tenham uma elevada importância para tarefas em que o rigor e o

preciosismo sejam obrigatórios.

As tarefas que estes desenvolvem podem ser alteradas e consequentemente modificada a

programação, deste modo, a introdução de um novo produto faz com que o investimento continue

constantemente a ser amortizado e quando adquirido para tarefas a longo prazo, os custos das tarefas

são mais baixos do que no caso de utilização de recursos humanos.

Muitas vezes, são usados para trabalhar em locais onde o ser humano não o pode fazer por

motivos de riscos para a saúde. Por exemplo trabalhar em ambientes radiactivos, com gases tóxicos,

temperaturas extremas (muito frias ou muito quentes), entre outros.

As possibilidades de um robô falhar são mínimas depois de correctamente programado e validada

a operação, o que leva a generalidade das pessoas a depositar neles uma elevada porção de confiança.

A aquisição de robôs e consequente aplicação destes numa tarefa de uma linha de produção,

origina o aparecimento de novos postos de trabalho, geralmente melhor remunerados, como por

exemplo, o de programador, o de responsável pela supervisão/operação da máquina ou da manutenção.

Outros postos de trabalho que surgem com os robôs destinam-se a pessoas que trabalham nas fábricas

onde estes são construídos.

Quando comparado com o ser humano, um robô não reclama aumento de salários, não precisa de

pausas para beber ou alimentar-se, nem para ir à casa de banho ou para fumar um cigarro.

Por fim, ganhos de produtividade e um aumento da competitividade são vantagens que, para uma

indústria com elevados volumes de produção, são razões mais do que suficientes para implementarem

sistemas robotizados [22] (p.17-26) [26] (slide 13).

2.3.9.2 Desvantagens

As desvantagens associadas aos robôs são muito poucas. Uma delas é o preço de aquisição, que

muitas vezes, dependendo das características que o robô tenha, pode ser bastante elevado.

24

A imobilização por motivo de avaria, para além de causar uma alteração não esperada no fluxo

normal da fábrica, implica um elevado custo económico.

A próxima desvantagem diz respeito à tarefa que está a conceber, ou seja, normalmente, quando

um processo começa errado, o robô vai até ao fim naturalmente, o problema é que o resultado final da

tarefa está todo errado quando comparado com o desejado.

A última desvantagem é a diminuição dos postos de trabalhos para os operários, embora existam

tarefas desempenhadas por robôs que não podem ser desenvolvidas por humanos devido ao ambiente

(por exemplo: indústria química, fundição, entre outras), o que pode originar graves problemas sociais.

Corte a Plasma 2.4

O que é o plasma 2.4.1

O plasma no mundo da física é designado como o quarto estado da matéria, isto porque o

primeiro é o estado sólido, o segundo é o estado líquido e o terceiro é o gasoso, logo a seguir vem o

estado de plasma.

Para uma melhor explicação do assunto, apresenta-se a Fig. 2.30 onde se apresenta a

transformação do estado, dependendo da quantidade de energia que se fornece ao líquido ou

substância (gás).

Fig. 2.30. Representação dos quatro estados da matéria [43].

Tome-se como referência a água que, quando no estado sólido (gelo) se lhe aplicarmos energia

esta passa ao estado líquido. Aplicando energia à água no estado líquido, esta atinge o estado da

matéria seguinte, o estado gasoso (vapor). Agora, quanto mais energia se fornecer ao vapor de água

mais este se ioniza ficando electricamente condutor. A ionização do gás provoca a concepção de

25

electrões livres e iões positivos. A ocorrência deste pressuposto de ionização faz com que o gás se

torne electricamente condutor de corrente eléctrica [42].

Processo de corte a plasma 2.4.2

O corte a plasma tem como princípio básico o aquecimento de um gás a elevadas temperaturas,

de tal modo que este se ionize, fazendo com que seja um óptimo condutor eléctrico.

O processo de corte plasma utiliza uma máquina para ionizar o gás usado e fornecer a corrente de

funcionamento do plasma por meio de condutores.

A corrente elevada é de tal modo eficiente que é capaz de fundir e expulsar o metal com uma

elevada competência para fora da área de corte pela força do jacto de plasma.

Algumas características que definem o arco de plasma variam com o tipo de gás que é usado no

corte, com o diâmetro do bico da tocha, com a quantidade de vazão do plasma e com a tensão do arco

eléctrico [44].

Para o processo de corte, o ideal é existir uma grande vazão de gás para empurrar o material

fundido, provocando um corte no material que está a ser sujeito ao plasma.

Tocha de corte a plasma 2.4.3

Uma tocha de corte a plasma tem uma configuração mais ou menos genérica. Assim, a Fig. 2.31

mostra o aspecto exterior de uma tocha de corte a plasma.

Fig. 2.31. Tocha de corte PT-19XLS [45].

Obviamente que no interior de uma tocha existe um conjunto de acessórios a partir dos quais se

consegue obter o efeito pretendido na ponta da tocha.

26

Fig. 2.32. Elementos de uma tocha de corte a plasma [46].

Considerando a Fig. 2.32 (típica), cada um dos elementos tem uma determinada funcionalidade.

Começando pelo distribuidor de gás, este tem por função a de dar um sentido rotacional ao gás,

permitindo uma distribuição uniforme do gás no eléctrodo, enquanto o eléctrodo entrega a corrente

eléctrica ao gás, e o bico funciona como o controlador da quantidade de plasma que sai.

A função da capa é a de isolar a corrente eléctrica a jusante (ou seja, do bocal), permitindo apoiar

na chapa a tocha uma vez que a capa funciona como isoladora, enquanto o efeito do bocal é apenas de

encaminhar o plasma [42].

Um outro esquema representativo de uma tocha está representado na Fig. 2.33. Como é possível

observar, existe o eléctrodo para fornecer a corrente gerada pela fonte de alimentação, o plasma é o

gás ionizado que tem características condutoras e neste caso existe um gás protector, possivelmente

para limitar o arco eléctrico ou fazer algum tipo de tratamento na superfície da chapa cortada.

Fig. 2.33. Esquema básico de uma tocha de corte a plasma [47].

27

A tocha de corte plasma tem a particularidade de necessitar e ter um circuito com um líquido de

refrigeração pelo facto da elevada corrente aquecer muito intensamente o material pelo qual é

constituída a tocha.

Máquinas de corte a plasma 2.4.4

As máquinas de corte a plasma podem ser divididas, basicamente, em dois tipos em termos de

operação: o corte manual e o corte automatizado.

Uma máquina de corte plasma é igual, quer seja para corte manual ou para corte automatizado, a

única diferença encontra-se no seu modo de operação e na respectiva tocha de corte. Sobre as

máquinas que são concebidas para um uso manual, estas têm de ser manuseadas por um operador para

proceder ao corte do metal. Um exemplo de máquina que pode ser usada manual ou automaticamente

pode ser visualizado na Fig. 2.34.

Uma característica fundamental das máquinas de corte plasma é a sua corrente, neste caso, a

corrente da máquina apresentada na Fig. 2.34 é de 150A. A corrente determina a maior ou menor

capacidade da máquina fundir o metal desejado.

Fig. 2.34. Máquina de corte plasma ESP 150 Plasmarc [48].

As que têm um corte automatizado têm, obrigatoriamente, uma máquina que opera a tocha de

corte. Assim, duas das máquinas mais utilizadas para manusear uma tocha de corte automaticamente

podem ser: um robô industrial ou uma máquina de corte CNC. A seguir apresentam-se duas imagens,

uma referente a um robô com uma tocha de corte a plasma (Fig. 2.35 (a)) e a outra mostra uma

máquina CNC (Fig. 2.35 (b)). É evidente que as imagens apenas mostram parte do equipamento,

ficando a faltar, em ambos os casos, a máquina que fornece o gás ionizado e a corrente com que

funciona o respectivo corte a plasma. Esta máquina a que nos referimos não é mais do que aquela que

se encontra representada na Fig. 2.34.

28

(a) (b)

Fig. 2.35. Máquinas de corte automatizado: (a) Robô com tocha de corte a plasma [1], (b) Máquina

CNC de corte a plasma [50].

Vantagens do corte a plasma 2.4.5

As vantagens de utilização do corte a plasma são as que resultam no incentivo à utilização e

maior adesão a este tipo de corte.

Assim, são de destacar a velocidade de corte relativamente rápida quando comparado por

exemplo com o oxicorte, a adaptação e eficiência de corte para inúmeras ligas de metal como por

exemplo o alumínio ou o aço. Depois do corte, a face que foi submetida ao corte fica completamente

perfeita, com um acabamento irrepreensível (corte limpo, sem vestígios do metal que foi fundido). No

que diz respeito à precisão dimensional, os desvios são mínimos ou mesmo nulos quando a máquina se

encontra devidamente afinada. Outro benefício que lhe está associado é a simplicidade com que o

corte plasma pode ser utilizado manualmente.

Por estas razões, o corte plasma torna-se uma ferramenta muito utilizada, sendo de ressaltar ainda

o facto de o seu custo ser economicamente viável, se intensivamente utilizado [51] (slide 9).

29

3 Processo de Corte

Célula robotizada existente 3.1

Uma célula robotizada é construída em função do processo a que se destina, possibilitando

inúmeras configurações e características. As células podem ser projectadas e construídas para realizar

trabalho em peças com pequenas ou elevadas dimensões e ao mesmo tempo possibilitar a interacção

com outros equipamentos, como por exemplo posicionadores do tipo torno. A elevada produção pode

ser obtida numa célula robotizada com múltiplos robôs, múltiplas colunas instaladas num eixo externo

ou múltiplos posicionadores do tipo torno.

No caso da célula robotizada utilizada para desenvolver o trabalho, esta é constituída por duas

colunas rotativas iguais à apresentada na Fig. 3.1.

Fig. 3.1. Coluna rotativa [52].

As duas colunas que fazem parte da célula robotizada são movimentadas através de

servomotores. Os movimentos referidos podem ser realizados segundo quatro eixos externos,

permitindo uma área de trabalho enorme quando comparada com a área de trabalho apenas do robô

que está suspenso na extremidade de um dos eixos externos.

Como mostra a Fig. 3.2, as colunas instaladas podem ser movimentadas segundo três eixos de

translação e um de rotação. Os movimentos em x, y e z estão associados a movimentos de translação

dos eixos externos, enquanto o movimento em w possibilita a rotação da coluna em 180º.

30

Fig. 3.2. Movimentos dos eixos externos de uma coluna [52].

Esta célula robótica é ainda constituída por oito posicionadores do tipo torno que permitem fazer

rotação de peças neles instalados, inclusive no decorrer da soldadura. O posicionador do tipo torno

instalado na célula pode ser visualizado na Fig. 3.3.

Fig. 3.3. Posicionador tipo torno [53].

Existe ainda uma outra parte da célula mais dedicada ao corte, na qual não existem

posicionadores mas sim peças de precisão (Gabaris) onde são montadas as peças para se proceder ao

corte. Estes Gabaris presentes na célula são apresentados no decorrer do Capítulo 3, no contexto da

descrição do corte que estava implementado, anterior a este trabalho.

Na Fig. 3.4 está ilustrado o layout da célula completa, possibilitando uma visão geral das colunas,

dos posicionados tipo torno, dos Gabaris onde é realizado o corte, entre todas as outras peças que

estão instaladas e definem um fluxo produtivo.

Fig. 3.4. Célula robotizada [1].

31

No caso especifico desta célula, existe um dimensionamento/projecto de uma empresa

especializada, que integrou e permitiu que todos os elementos funcionem como uma célula. Os robôs

são os vulgarmente conhecidos dos meios académicos da marca FANUC, a partir dos quais foram

integrados eixos externos de translação e rotação. No caso dos manipuladores únicos, existem as

típicas seis juntas de rotação, enquanto nesta célula acrescem as quatro juntas que compõem os eixos

externos (três de translação e um de rotação). O sistema de coordenadas cartesianas da célula está

situado no meio da célula. O referencial referido está representado a vermelho na Fig. 3.4. Este é o

referencial da modelação, embora na realidade o referencial tenha uma rotação de 90˚ em torno de x,

ou seja, o eixo do z tem o sentido vertical, o eixo do x mantem-se igual e o eixo do y está na

horizontal. Existe uma alteração do sistema de eixos da modelação para a célula real, fazendo com que

a programação não possa ser efectuada na célula virtual e posteriormente transferida para a real. Deste

modo, optou-se por efectuar a programação na célula real, tal como para todas as outras peças

envolvidas no ciclo produtivo da fábrica.

Processo de corte “semi-automático” 3.2

À data do início do estágio, o processo de corte encontrava-se a ser realizado de forma “semi-

automática”, isto porque necessitava de intervenção constante de um operador. Normalmente as

funções do operador deveriam consistir apenas em executar programas, mas no caso presente este

tinha de fazer ajustes da posição do robô em relação à peça e efectuar a respectiva actualização de

pontos.

Nos casos em que qualquer processo depende do operador existem sempre problemas associados

ao mesmo. Reportando, especificamente, ao processo do corte, actualizar pontos de corte depende

muito da sensibilidade do operador, além de que existirão sempre tolerâncias quando compararmos, a

título de exemplo, o mesmo corte, realizado duas vezes pelo mesmo operador, ou executado por dois

operadores diferentes.

Com o decorrer do corte a chapa sofre uma entrega térmica que, em algumas situações, pode

influenciar o resultado pretendido, existindo variáveis que influenciam o corte, designadamente a

proximidade da tocha à chapa ou o grau de inclinação da tocha. Tais variáveis estão directamente

relacionadas com a limpeza ou com a largura do corte.

Estes e outros factores podem levar a uma incerteza na precisão e no rigor com que o processo é

efectuado, podendo colocar em causa o processo seguinte a que a chapa irá ser sujeita e, até mesmo, o

próprio produto final.

No processo de corte, independentemente daquele que estava a ser realizado, ou do que viria a ser

feito depois da célula automatizada, os cortes a executar seriam, exactamente, os mesmos.

Em resumo de todos os cortes realizados, apresenta-se a Fig. 3.5.

32

(a) (b)

(c) (d) (e)

Fig. 3.5. Cortes realizados pelo robô: (a) Corte do Troço, (b) Cortes longitudinais, (c) Corte de

separação das Hatches, (d) Corte de separação Top Cover/Hatches, (e) Corte da Virola de Acesso à

Torre [2].

Seguidamente, irão ser descritos todos os cortes realizados e os procedimentos que eram

anteriormente seguidos para a respectiva execução.

Corte do Troço 3.2.1

O Troço (ou tubo) em chapa que é sujeito ao processo de corte, é constituído por um conjunto de

seis virolas unidas por cordões de soldadura, como foi mostrado inicialmente na Fig. 2.2 (Página 6).

A execução do corte do Troço é efectuada num Gabari designado por Berço Inferior. O Troço é

transportado por meio de pontes de elevação e colocado no Gabari Inferior. Em seguida são marcados

dois pontos em cada extremo do Troço para ser possível traçar uma linha longitudinal que assinala o

trajecto de corte, contendo um conjunto de pontos que a definem. As marcações dos pontos que

definem as duas linhas longitudinais são executadas com recurso a um sistema que foi adaptado nos

quatro cantos do Gabari, encostando à chapa. Este sistema pode ser visualizado na Fig. 3.6.

Fig. 3.6. Marcador do corte do Troço [2].

33

A marcação da linha é realizada utilizando um fio marcador. A finalidade da linha é,

posteriormente, estar disponível visualmente o caminho que o robô deve percorrer ao cortar a chapa.

Um exemplo de uma linha, traçada na chapa a azul, pode ser visualizado na Fig. 3.7.

Fig. 3.7. Linha de corte longitudinal do Troço [1].

Seguidamente é executado o programa de corte do Troço, passo a passo, de forma a confirmar

todas as trajectórias do robô, evitando colisões devido a irregularidades da chapa.

Ao longo de cada linha longitudinal são actualizados treze pontos, ou seja, um ponto inicial, um

ponto final e onze pontos intermédios, que definem o trajecto que é cortado e não cortado, permitindo

separar parcialmente a parte superior da inferior. O trajecto de corte é igual ao da Fig. 3.8.

Fig. 3.8. Trajecto de corte do Troço [2].

Esta separação é parcial, de modo a salvaguardar a deformação de ambas as partes.

Após a actualização dos pontos, é simulado todo o trajecto de corte em sentido contrário, para

ganhar tempo no processo e confirmar a marcação dos pontos, de modo a evitar colisões com a chapa

durante o processo de corte. Imediatamente a seguir é executado o corte da linha longitudinal que foi

sujeita ao processo descrito anteriormente.

Os procedimentos descritos são similares para os dois lados do Troço. As partes que não são

cortadas com o robô são posteriormente cortadas manualmente, com vista à separação total da parte

inferior e superior do Troço. Estes cortes manuais são executados depois do operador ter colocado o

Gabari Superior, devidamente montado por cima do Gabari Inferior.

Depois de colocado o Gabari Superior, os operadores “pingam” com solda nos quatro cantos

entre a chapa e o Gabari de modo a que, quando procederem ao corte, a parte superior do Troço não

caia. Para além desta operação, o Gabari Superior permite agarrar na parte superior do Troço e

34

transportá-lo quando retirado o Gabari Superior. Todas estas movimentações de peças muito pesadas

como um Gabari são realizadas com o auxílio de pontes de elevação. Com a divisão do Troço em duas

partes fisicamente separadas através do corte obtêm-se duas peças: o Lower Cover e o Top Cover.

Corte do Top Cover e Hatches 3.2.2

A parte superior resultante do corte do Troço ainda está sujeita a novos cortes. A execução de

novos cortes vai originar novas peças: Top Cover, Hatch Left e Hatch Right. Para a execução destes

cortes, tal como no caso anterior também existe um conjunto de procedimentos.

Todos os cortes que vão ser relatados a seguir são realizados no Gabari Superior, o mesmo que é

usado para retirar a parte superior do Troço depois do corte manual, mas agora invertido 180º como

mostra a posição da peça representada na Fig. 3.9.

Fig. 3.9. Preparação para corte de Top Cover e Hatches [2].

O primeiro procedimento é realizado através de um mecanismo ilustrado na Fig. 3.10.

Fig. 3.10. Mecanismo de encostar peça aos batentes [1].

Este sistema permite encostar toda a parte superior do Troço a um dos topos que têm dois

batentes iguais aos da Fig. 3.11. Este procedimento é necessário para que o processo seguinte ao do

corte seja bem-sucedido.

35

Fig. 3.11. Exemplo de um dos batentes da parte superior do Troço [1].

Os procedimentos seguintes passam por marcar os pontos de início, intermédios e de fim que

permitem definir as linhas de corte. O sistema que está implantado para a marcação desses pontos é

bastante convencional mas ao mesmo tempo extremamente funcional, baseando-se num sistema que

encosta à chapa para permitir ao operador marcar o início, o fim e os pontos intermédios. O sistema

em causa, que permite marcar os pontos iniciais, finais e intermédios para fazer o “degrau” do traçado

são mostrados na Fig. 3.12.

(a) (b)

Fig. 3.12. Marcador do corte longitudinal do Top Cover/Hatches: (a) Marcador intermédio, (b)

Marcador inicial ou final [1].

Depois dos pontos marcados, são traçadas do lado exterior da peça as linhas com recurso a um

marcador de fio azul como ilustrado na Fig. 3.13.

Fig. 3.13. Linha de corte longitudinal [1].

36

O resultado da marcação deverá ser como o da Fig. 3.14, ou seja, existe um pequeno “degrau” na

linha de corte pelo facto das dimensões entre o Top Cover e as Hatches serem diferentes. Apesar de na

Fig. 3.14 estar uma linha representada no interior da peça, esta existe apenas para efeitos ilustrativos,

uma vez que, na realidade, ambos os traçados são marcados pelo lado exterior.

Fig. 3.14. Trajecto dos cortes longitudinais [2].

Após a marcação dos trajectos é executado o programa de corte de uma das linhas longitudinais,

passo a passo, de forma a confirmar todas as trajectórias do robô, prevenindo possíveis colisões entre a

chapa e o robô. É nesta fase do processo que são actualizados os pontos de proximidade do robô com a

chapa.

Imediatamente de seguida à simulação do trajecto de um corte longitudinal é executado o corte

desse mesmo trajecto.

A seguir à execução do corte da primeira longitudinal são realizados os mesmos procedimentos

para a longitudinal oposta.

O passo seguinte consiste em proceder-se ao corte das Hatches, realizado imediatamente após o

corte das duas barras longitudinais e com a peça no mesmo local.

O operador começa por marcar na peça uma linha igual à que está representada a verde na

Fig. 3.15. Depois, o operador mede os valores das cotas predefinidas no projecto e faz o traçado das

linhas apresentadas a vermelho, também na Fig. 3.15.

Fig. 3.15. Trajecto de corte das Hatches [2].

Passa-se à execução do programa de corte para simular todo o trajecto, passo a passo, de forma a

confirmar as trajectórias do robô evitando possíveis colisões entre o robô e a chapa. No decorrer desta

37

simulação do trajecto, se necessário, são ajustados pontos fazendo a respectiva actualização.

Seguidamente é realizado o corte das Hatches.

Finalmente nesta peça só resta fazer um corte, ou seja, o corte que faz a separação do Top Cover

das duas Hatches, representado a vermelho na Fig. 3.16. Pode-se constatar que o corte é circular,

aproximadamente, metade de uma circunferência.

O primeiro passo para a execução deste corte é o operador proceder à simulação do traçado,

executando o programa passo a passo, de modo a poder evitar possíveis colisões entre o robô e a

chapa, e a poder efectuar a actualização de pontos no caso de existir algum desvio do robô

relativamente à peça. A actualização, se necessária, é feita ponto a ponto, através da medição de cotas

iguais às que estão representadas a verde na Fig. 3.16.

Depois de actualizados os pontos é executado o corte, realizado metade de cada vez, ou seja, o

robô corta metade, pára, e de seguida corta a outra metade.

Fig. 3.16. Trajecto de corte Top Cover/Hatches [2].

De todos os cortes executados na parte superior do Troço resultam as peças ilustradas na

Fig. 3.17.

(a) (b)

Fig. 3.17. Peças resultantes da parte superior do Troço: (a) Top Cover, (b) Hatches [1].

38

Corte da Virola de Acesso à Torre 3.2.3

O corte da Virola de Acesso à Torre é realizado, depois de colocados um conjunto de elementos

no interior do Lower Cover, através da intervenção de operadores.

Este corte é dos mais difíceis de executar, devido às circunstâncias em que tem de ser executado.

A complexidade surge quando o robô tem de efectuar o corte em mais do que um plano, dadas as

diversas inclinações que tem a circunferência.

O processo actual de corte que se encontra implementado é realizado com o Lower Cover no

Gabari Inferior e requer a intervenção constante de um operador. Mensalmente é utilizado um molde

calibrado para verificar e validar a marcação do trajecto de corte.

O primeiro corte que é realizado não necessita de muito pormenor porque, apenas é efectuado

para que seja possível retirar, mais facilmente, as peças depois de cortadas. O corte relatado está

representado a verde na Fig. 3.18.

Seguidamente é executado o corte de quatro quadrados representados a laranja na Fig. 3.18,

destinando-se este apenas a simplificar a tarefa do operador no processo de pegar as peças com uma

ponte de elevação.

O próximo passo consiste na simulação, passo a passo, do trajecto de corte da circunferência, de

forma a confirmar a correcta marcação dos pontos, e evitar deformações indesejadas da chapa. Na

programação do robô está definida uma circunferência constituída por um conjunto de trinta e três

pontos distribuídos uniformemente que têm de ser percorridos um a um, e afinada a sua localização

exacta, relativamente à proximidade com a chapa.

Depois de afinados os pontos segue-se o corte. O corte implementado é dividido em duas partes

por uma questão de facilidade, assim, o robô corta metade da circunferência e depois corta a outra

metade.

Fig. 3.18. Trajecto de corte da Virola de Acesso à Torre [2].

39

Processo de corte automático previsto 3.3

Na fase inicial, quando confrontado com o presente projecto surgem ideias para atingir o trabalho

pretendido, muito embora algumas das vezes as mesmas não cheguem a ser concretizadas. Algumas

vezes tal ocorre pela impossibilidade material de as colocar em prática, ou por surgirem novas

possibilidades, mais eficazes e de maior simplicidade para pôr em prática a solução e resolver o

problema.

Assim, vão descrever-se algumas alternativas possíveis que, no início, poderiam levar ao sucesso

do trabalho independentemente de, no resultado final, terem sido colocadas ou não em prática. As

ideias apresentadas a seguir são válidas para os cortes a realizar: corte do Troço, corte do Top Cover e

Hatches, e finalmente o corte da Virola de Acesso à Torre.

A informação que vai ser exposta no processo previsto implicava a aquisição de equipamento

extra que no caso concreto, a empresa não dispunha, como a título de exemplo, sensores.

Corte do Troço 3.3.1

Para o processo de corte previsto no Troço deveriam ser iniciados procedimentos que levassem a

um conjunto de medições no Troço, realizado através de robô com um sensor externo, ou equipamento

equiparado, que permitisse medir e referenciar os pontos de início, intermédios e o final de corte das

peças.

A Fig. 3.19 mostra o ponto onde o robô se deveria referenciar, as sequências de leitura da peça e

o traçado do corte a realizar.

Fig. 3.19. Leitura e corte do Troço [2].

Como primeiro impulso, a solução que surgiu foi referenciar o robô a partir de uma saliência que

existe no local apontado pela seta no Troço da Fig. 3.19. Este procedimento é válido para a parte

oposta do Troço, uma vez que nessa parte também existe uma saliência igual.

Depois de referenciado, o robô nos dois extremos do Troço, este deveria medir o comprimento

pré-definido do arco laranja e, de seguida, o arco amarelo, começando a partir do ponto de referência,

embora os arcos do mesmo extremo tenham o mesmo comprimento. Ao efectuar a medição, o robô

40

deveria memorizar o ponto e respectivas coordenadas da extremidade do comprimento medido, a

partir do qual é definido o início ou o fim da trajectória de corte.

Para o outro extremo do Troço os procedimentos seriam os mesmos, embora com valores de

comprimento de arco pré-definidos menores, uma vez que o diâmetro do Troço também é menor. O

motivo da medição nos dois extremos do Troço prende-se por este ter uma forma cónica, ou seja, o

diâmetro de um dos lados é superior ao do outro.

Com a medição dos quatro comprimentos de arco encontravam-se obtidos quatro pontos que

definiam uma linha longitudinal para cada um dos lados, como é representado pelo tracejado vermelho

da Fig. 3.19.

A sequência de corte devia ser mantida como era efectuada pelos operadores antes do início deste

processo, ou seja, alternar o corte como representado na Fig. 3.19, onde o tracejado representa apenas

as zonas a cortar, sendo que a zona onde a chapa não fosse cortada deveria ter ±300 mm de

comprimento. O motivo pelo qual o Troço não pode ser todo cortado longitudinalmente é para impedir

que a parte superior do Troço caia.

Enquanto é efectuado o corte, o robô deverá compensar as irregularidades da chapa através de

qualquer sistema a partir do qual tal fosse possível, por exemplo um sensor ou outro sistema

equivalente.

Corte do Top Cover e Hatches 3.3.2

O processo previamente previsto para estes cortes encontra-se representado na Fig. 3.20 através

de várias sequências, ilustradas pelas linhas coloridas. Todas as referências a seguir mencionadas,

sobre sequências de leituras ou cores, reportam-se à Fig. 3.20.

A primeira tarefa a executar pelo robô consiste em situar um ponto de referência na zona

assinalada pela seta preta. Uma vez estabelecida essa referência, deverão ser medidos, através de um

sensor ou sistema equiparado, quatro comprimentos de arco pré-definidos, de meio círculo cada um, e

memorizados os pontos associados à extremidade do comprimento medido. As extremidades dos

meios círculos é que irão permitir definir as trajectórias de corte. Esses meio círculos estão

representados pelas linhas laranjas e correspondem dois para definição da trajectória de corte

longitudinal do Top Cover (linhas amarelas) e outros dois para a definição da trajectória de corte

longitudinal das Hatches (linhas vermelhas).

A partir dos meios círculos medidos também é necessário obter pontos de referência para realizar

o corte de uma pequena faixa que separa as duas Hatches (representado a verde), assim como, o corte

de separação do Top Cover/Hatches, corte este que é circular e situado entre o segundo e o terceiro

meio círculo de leitura.

No momento da realização do corte, o robô deve ser capaz de compensar as irregularidades da

chapa através de um sensor ou sistema equiparado.

41

Fig. 3.20. Leitura e corte do Top Cover e Hatches [2].

Corte da Virola de Acesso à Torre 3.3.3

O corte da Virola de Acesso à Torre é o mais complexo de entre todos, atentas as características

do mesmo (ser circular e com diversas inclinações). Todas as referências a este corte e linhas referidas

podem ser visualizadas na Fig. 3.21.

O previsto era que, tal como nos cortes anteriores, existisse uma referência para iniciar e

posicionar todo o corte circular. As setas representadas na figura seguinte identificam os pontos de

referência a partir dos quais o robô deverá medir uma distância predefinida, representada a amarelo,

com recurso, a um sensor ou equivalente, que possibilite centrar o corte circular.

Para se proceder desta forma deverá ser previamente efectuada a programação numa peça-tipo de

um corte igual para que, posteriormente, apenas seja necessário centrar a circunferência de forma

automática pelo robô.

Do mesmo modo que os anteriores, é previsto que um sensor, ou sistema equiparado, permita

compensar as irregularidades da chapa de forma a manter uma distância constante entre a tocha e a

chapa.

42

Fig. 3.21. Leitura e corte da Virola de Acesso à Torre [2].

Material necessário 3.4

Como em todos os projectos, é necessário determinado material e equipamento sem o qual não é

possível atingir os objectivos propostos.

No caso específico do presente trabalho, o material necessário foi uma célula robótica (Robô

FANUC ARC Mate 100iC, Controlador R-30iA), uma tocha de corte plasma como ferramenta do

robô, a respectiva máquina de corte a plasma com um interface para robô, um computador e uma fonte

de alimentação.

Outra ferramenta, inicialmente utilizada com vista à realização de testes sobre algumas

funcionalidades do robô, foi o software de simulação ROBOGUIDE. Este programa permitiu auxiliar

um melhor enquadramento com o robô nos momentos em que não era possível utilizar a célula

robótica devido a esta se encontrar ocupada com o processo produtivo.

A justificação para a imprescindibilidade da célula robótica é óbvia, uma vez que este processo se

desenrola no interior da mesma. As dimensões das peças onde é necessário desenvolver trabalho são

de tal modo grandes, que nenhum outro tipo de máquina conseguiria desenvolver o mesmo trabalho

que uma célula robotizada.

A tocha de corte a plasma e respectiva máquina de corte representam o equipamento externo

comandado pelo controlador do robô, através do qual é possível proceder ao corte.

Por fim, o computador esteve dedicado a tarefas de pesquisa, elaboração do relatório, consulta de

documentação digital arquivada sobre os equipamentos e para poder trabalhar com o software

ROBOGUIDE, enquanto a fonte de alimentação foi necessária para parametrizar o equipamento de

compensação do corte.

43

Solução avançada 3.4.1

No que respeita a soluções mais avançadas de equipamento, o sistema que é aplicado nas

máquinas CNC de corte a plasma e que permite controlar a altura da tocha recorrendo à tensão do arco

entre a tocha de corte e a chapa é o THC ArcGlide, da Hyperterm.

Este sistema é constituído por três elementos: o posicionador com um motor incorporado que

permite ajustar a altura da tocha à chapa mediante determinados sinais; o sistema de controlo que

permite receber o valor da tensão de arco e que, (dependendo das configurações), envia os sinais de

actuação para o posicionador; por fim, é necessário existir o interface entre a tocha de corte plasma e

o sistema de controlo. Este interface causa uma diminuição da tensão do arco de plasma para valores

mais baixos, de modo a poderem ser monitorizados pelo sistema de controlo [54].

Os elementos referidos anteriormente estão ilustrados na Fig. 3.22.

Fig. 3.22. Componentes THC ArcGlide [55].

Esta é a típica solução avançada que é vendida como um kit para aplicar numa máquina CNC,

embora possa ser aplicada em qualquer tipo de máquina de corte plasma, uma vez que se trata de um

sistema independente ao funcionamento da máquina.

No caso especifico de um robô, não faz muito sentido implementar uma solução deste tipo. O

próprio manipulador pode substituir o posicionador e o controlador é capaz de substituir o sistema de

controlo, permitindo receber e monitorizar o manipulador mediante sinais de corte. Deste modo,

apenas faltaria o interface necessário entre o sistema de corte e o controlador. Não fazia sentido estar a

investir recursos económicos num equipamento que à partida apenas uma parte seria imprescindível.

Estas foram as razões pelas quais não foi adoptada esta metodologia.

45

4 Fase de Testes

A tarefa do robô era efectuar um conjunto de cortes, pelo que, e desde logo, se torna necessário

estudar o processo de corte.

Com o objectivo de obter um corte perfeito e limpo existem variáveis que influenciam a

qualidade e limpeza do corte. Essas variáveis são: a aproximação/afastamento da tocha à chapa,

inclinação da tocha, velocidade de corte e espessura da chapa.

Algumas das variáveis descritas anteriormente são fundamentais, por exemplo, para a

durabilidade dos consumíveis da tocha de corte plasma. Um corte em que a tocha não fique na

perpendicular com a chapa, ou em que o material não seja removido de uma forma eficaz, pode causar

danos nos consumíveis, levando estes a ter um tempo de vida útil mais reduzido [56].

Uma vez que o corte plasma já estava a ser utilizado anteriormente à realização do presente

trabalho, foi efectuado um levantamento do valor das variáveis que estavam a ser usadas, de modo a

poder comparar com os parâmetros por mim adoptados. Assim, o robô estava a cortar com a posição

da tocha perpendicular à chapa de corte, a proximidade da tocha com a chapa variava dependendo do

corte, a velocidade de corte era igual a 30 mm/s, a espessura da chapa era constante e igual a 5 mm e o

tempo de activação igual a 3 segundos.

Recorrendo ao manual da máquina de corte, foi possível obter resposta a algumas variáveis. Em

relação ao ângulo de corte, a tocha deve continuar na perpendicular com a chapa. Relativamente à

velocidade de corte, apresenta-se na Fig. 4.1 um gráfico que relaciona a velocidade de corte com a

espessura do material a cortar. A característica da máquina em relação à corrente é de 150A, enquanto

a chapa que vai ser cortada tem uma espessura de 5 mm. Com esta informação, já é possível visualizar

qual a linha representada no gráfico adequado ao caso. Resta fazer a conversão de 5 mm para

polegadas, ou seja, a espessura de 5 mm corresponde a 0,1969 polegadas. Analisando o gráfico é

possível cruzar a informação, para a máquina de 150A e para uma espessura de 0,1969 polegadas, a

velocidade de corte é de sensivelmente 137,5 polegadas/minuto. A conversão em mm/s equivale a

dizer que a velocidade que o robô pode cortar é sensivelmente 58 mm/s.

46

Fig. 4.1. Gráfico da velocidade de corte para o aço [56] (p.19).

A variável de proximidade/afastamento da tocha à chapa também foi analisada. Através da

informação contida na Tabela 4.1 pode-se verificar que para uma máquina de 150A,

independentemente da espessura do metal a cortar, a altura de corte vai ser sempre a mesma, ou seja,

8 mm. A tabela referida também contém informação sobre os combustíveis de plasma, mas neste caso,

isso não pode ser alterado.

47

Tabela 4.1. Dados para corte com aço carbono [56] (p.49)

Depois de analisadas todas as variáveis passíveis de ser alteradas, chegou-se à conclusão que a

tocha deve cortar na perpendicular com a chapa, a velocidade de corte para o aço com espessura de

5 mm deve ser de 58 mm/s e a distância da tocha à chapa durante o corte deve ser igual a 8 mm.

O acesso a toda a informação descrita anteriormente, foi obtida depois de ter efectuado testes de

corte sem qualquer tipo de informação relativamente à velocidade, tal como a aproximação da tocha à

chapa, etc. No entanto, fica um conjunto de testes de corte que foram realizados antes de aplicar os

parâmetros de corte recomendados pelo fabricante da máquina. Os parâmetros indicados no manual

apenas foram aplicados já na fase da automatização concluída, constatando-se que todos os parâmetros

aplicados resultam num corte satisfatório para o fim desejado. O Anexo 1 contém toda a informação

relativa a testes de corte e testes de detecção de peça com o robô.

49

5 Automatização da Célula Robotizada

A automatização da célula constitui o principal objectivo do trabalho planeado para este estágio.

A sua automatização implica o estudo de vários factores fundamentais. Inicialmente, o conhecimento e

aprendizagem relativamente ao robô, o estudo das variáveis e parâmetros de corte para efectuar o corte

com as melhores características, a definição de pontos de referência estratégicos, e finalmente a

programação do robô para que a célula fique totalmente automatizada.

A definição dos pontos de referência constituiu uma fase importantíssima do trabalho, uma vez

que toda a actividade que é desenvolvida pelo robô é definida em função dos pontos de referência

escolhidos. Assim, é importantíssimo seleccionar pontos que não variem em qualquer situação do

processo.

Alteração ao Suporte da Tocha 5.1

A alteração ao suporte da tocha foi um processo de análise que consistia em conseguir uma

solução benéfica para ser possível realizar todos os cortes com a tocha na perpendicular relativamente

à chapa.

Com a excepção de dois cortes, todos os outros apresentavam espaço suficiente para realizar os

cortes com o suporte de tocha que estava a ser utilizado, ilustrado na Fig. 5.1. Com este suporte de

tocha, tinha de existir uma distância de, no mínimo, 550 mm para permitir que o robô movimentasse a

tocha sem qualquer tipo de colisão e conseguisse ao mesmo tempo efectuar um corte na perpendicular

com a chapa. Isto deve-se ao facto do comprimento do último segmento do robô somado com parte da

tocha de corte (marcação vermelha da Fig. 5.1) ser sensivelmente 500 mm, enquanto os 50 mm

restantes eram dedicados a questões de movimentações para não correr o risco do robô colidir com

elementos nas imediações.

Fig. 5.1. Suporte de tocha antigo [2].

50

O principal problema estava no corte das duas linhas longitudinais do corte do Troço que,

possuindo este uma forma cónica, uma das suas extremidades apresentava uma distância da chapa à

estrutura do Gabari de tal forma pequena que impossibilitava a passagem da tocha para efectuar um

corte, na perpendicular, com a chapa.

A Fig. 5.2 mostra qual a distância que está em causa com a marcação vermelha. A distância

marcada é de apenas 430 mm, o que é muito menor do que os 550 mm que eram necessários para um

corte na perpendicular.

Fig. 5.2. Distância entre Troço e Gabari [2].

O que estava a ser realizado, para possibilitar o corte, era posicionar o robô com a tocha numa

posição diferente da perpendicular, ou seja, com um ângulo diferente de 90º, de modo a ser possível

passar o robô no espaço disponível e ser executado o corte do Troço.

Para passar a ser realizado o corte do Troço com a tocha na perpendicular com a chapa, a melhor

solução foi alterar o suporte da tocha e, ao mesmo tempo, deixar de ter o último segmento do robô

somado com parte da tocha. Assim, apenas fica o comprimento da tocha próximo dos 420 mm. O

suporte de tocha referido anteriormente está ilustrado na Fig. 5.3.

Fig. 5.3. Suporte de tocha novo [1].

Com este novo suporte de tocha, foi possível obter um comprimento de tocha ligeiramente menor

do que o espaço disponível entre o Gabari Inferior e o Troço (Fig. 5.2). Recorda-se que o espaço

51

disponível era de 430 mm, tendo a tocha 420 mm. Deste modo, foi necessário tomar medidas para

aumentar a distância entre o Gabari e o Troço. A solução encontrada foi cortar parte da estrutura, tal

como assinalado na Fig. 5.4 com os círculos vermelhos, disponibilizando-se um espaço para passar a

tocha com um valor de 470 mm.

Fig. 5.4. Cortes no Berço Inferior [2].

Alteração da programação em função da tocha nova 5.1.1

A aplicação de uma nova ferramenta no robô, com uma posição completamente diferente da

anterior, faz com que o valor dos seus eixos externos ou juntas de rotação que o constituem tenham de

ter valores diferentes nas suas juntas, de modo a posicionar a tocha no mesmo ponto que com a

ferramenta antiga.

A solução encontrada foi realizar toda a programação em função da nova ferramenta de trabalho,

tendo esta nova programação ficado igual à anterior, apenas variando a posição do robô devido à nova

posição da tocha de corte.

Os cortes que foram programados em função da nova tocha foram: o corte do Troço, o corte do

Top Cover e Hatches, e o corte da Virola de Acesso à Torre (ilustrações da Fig. 3.8 - Página 33, Fig.

3.14 - Página 36, Fig. 3.15 - Página 36, Fig. 3.16 - Página 37 e Fig. 3.18 - Página 38).

Os programas que foram realizados podem ser visualizados em suporte digital no CD com nome

de programa C_TOP_NC e C_LOW_NC.

Corte do Troço 5.2

O corte do Troço representa o corte ilustrado na Fig. 5.5.

Fig. 5.5. Esquema de corte do Troço [2].

52

Definição de pontos de referência 5.2.1

A definição dos pontos de referência para o corte do Troço permitia que fossem escolhidos até

mais do que um para referenciar cada um dos dois cortes, uma vez que a estrutura que envolve o Troço

(Gabari Inferior) é constituída por diversas peças metálicas que são fixas. O Gabari Inferior é uma

estrutura única, extremamente pesada e estável, permitindo a sua utilização para a definição de pontos

de referência. A estrutura do Gabari Inferior é ilustrada na Fig. 5.6.

Tendo em conta os aspectos anteriormente descritos, o mais indicado seria referenciar o corte a

partir de pontos da estrutura que fossem o mais próximo possível do corte em si. Também para que os

movimentos do robô fossem os mais curtos possível, minimizando-se os tempos associados ao

processo.

O ponto de referência que foi seleccionado para ser considerado pelo robô para iniciar o corte faz

parte das bases contidas no Gabari Inferior. Considere-se a Fig. 5.6 com a marca circular laranja que

indica onde o robô deve inicialmente identificar a base.

Fig. 5.6. Busca da base do Gabari Inferior [2].

Para uma análise mais pormenorizada, considere-se a Fig. 5.7 onde é possível visualizar com

precisão a base em que o robô deve identificar um ponto de referência. Neste caso o ponto de

referência está representado a vermelho na estrutura base.

Fig. 5.7. Vista pormenorizada da detecção da base do Gabari Inferior [2].

Este ponto de referência do Gabari Inferior é aquele a partir do qual é iniciado um conjunto de

deslocamentos (offsets) até encontrar o início da peça, a partir do qual, posteriormente, são efectuadas

53

buscas ao longo da peça (longitudinalmente). Este procedimento está descrito e foi ilustrado para o

corte longitudinal do Troço de um dos lados (Fig. 5.5 - Página 51), sendo o corte do lado oposto

efectuado utilizando os mesmos procedimentos.

Definição de trajectórias 5.2.2

A definição de trajectórias é extremamente importante para o tempo total do processo. É

fundamental optimizar especialmente os deslocamentos de posicionamento (setups). É nestes que

ocorrem perdas de tempo muito importantes. Já o tempo que é necessário para proceder efectivamente

à acção pretendida é tipicamente muito difícil de minimizar.

A trajectória definida para este corte é muito simples e foi optimizada o máximo possível. A

descrição das trajectórias realizadas neste corte vai ter como base a Fig. 5.8 sempre que seja relatado

um movimento associado a uma seta colorida. A figura é meramente ilustrativa uma vez que, no

momento de corte efectivo, o Troço ainda não tem qualquer tipo de equipamento no seu interior e é

constituído por seis virolas, não por cinco como mostra a figura. Assim, o Troço deve ser visto como

aquele apresentado na Fig. 2.2 (Página 6).

A execução deste corte é bastante simples, após ter identificado o ponto de referência no Gabari.

Assim, depois de identificado o ponto na plataforma do Gabari, o robô faz um deslocamento na

vertical até ficar ao mesmo nível do corte (seta vermelha). A partir deste ponto efectua dois

movimentos horizontais ilustrados pelas setas laranja, de modo a ficar próximo de uma das

extremidades da peça. Seguidamente, o robô começa por identificar o ponto de início da peça, a partir

do qual vão ser realizadas as buscas, longitudinalmente.

Identificado o início de peça, o robô percorre longitudinalmente todo o Troço a uma distância

predefinida, no sentido indicado pela seta amarela. Ao percorrer o Troço longitudinalmente, o robô

efectua múltiplas buscas à peça a intervalos pré-definidas, que serão detalhadas na secção 5.2.3. Esta

solução é facilmente executável porque o corte se encontra nivelado, logo, apenas é necessário realizar

um deslocamento nos eixos externos para realizar o percurso. A execução das buscas permite definir

os pontos de corte depois de estabelecida uma determinada ordem sequencial.

Após a realização das buscas é executado o corte. O corte é realizado no sentido contrário ao das

buscas e está ilustrado na Fig. 5.8, indicado pela seta verde. A razão do corte ser executado em sentido

contrário ao das buscas é exclusivamente para optimizar o tempo do processo. É assim evitada uma

deslocação ao início para fazer o corte no mesmo sentido das buscas e outra deslocação depois de

realizado o corte, para que o robô volte ao início onde foi iniciado todo o processo.

54

Fig. 5.8. Definição de trajectórias no corte do Troço [2].

As trajectórias foram descritas para o corte de um dos lados da peça. Uma vez que o troço tem

dois cortes iguais, em que um é o espelho do outro, todas as trajectórias definidas para o lado

representado na Fig. 5.8 são repetidas para o lado oposto.

Programação do corte 5.2.3

A programação do corte longitudinal foi baseada num conjunto de cálculos efectuados a partir do

projecto da peça. A definição dos pontos foi intercalada pelas uniões de soldadura. Isto é, a união das

virolas têm um cordão de soldadura, devendo ser obtido um ponto nas suas proximidades. Deverá

também ser obtido um ponto a meio do comprimento de cada virola. Existem no entanto três pontos

específicos que não são definidos a meio do comprimento das três virolas respectivas. A razão prende-

se com o facto de ser necessário deixar três secções do trajecto por cortar, de modo a que a parte

superior do Troço não caia após a execução do corte.

A Fig. 5.9 mostra a vista de perfil do Troço onde, é possível visualizar a localização dos pontos

na peça. Estes são os pontos onde devem ser realizadas as buscas da peça para determinação da

distância à peça ao longo de todo o corte longitudinal e para a definição do percurso de corte.

55

Fig. 5.9. Vista lateral dos pontos de corte do Troço [2].

Depois de definidos os pontos onde devem ser realizadas as buscas, é necessário proceder a

alguns cálculos simples de modo a obter os deslocamentos ou offsets que o robô tem que efectuar.

Inicialmente foi necessário obter as cotas das peças através de um modelo em SolidWorks, de modo a

poder calcular os referidos deslocamentos.

Considere-se a Fig. 5.10 como uma vista superior do Troço e todas as cotas representadas.

Fig. 5.10. Vista superior ilustrativa das cotas do Troço [2].

Este corte tem a característica de não dividir o Troço em duas partes iguais, uma vez que, depois

do corte, a parte superior é menor do que a parte inferior. Sendo assim, não se pode utilizar para os

cálculos seguintes os diâmetros do Troço, mas sim as cotas de corte obtidas a partir do modelo.

A Fig. 5.11 mostra as cotas de corte nos dois extremos do Troço.

(a) (b)

Fig. 5.11. Cotas de corte do Troço: (a) Diâmetro menor, (b) Diâmetro maior [2].

56

A partir das cotas representadas na Fig. 5.10 e na Fig. 5.11 é possível proceder a alguns cálculos,

principalmente o cálculo do ângulo de diminuição total do corte do Troço (α) (Fig. 5.12), a partir do

comprimento total do Troço e da diminuição da distância do corte da parte maior para a menor (cateto

oposto - Fig. 5.12). A partir da Tabela 5.1 é possível constatar os resultados dos cálculos efectuados,

onde consta o comprimento total do Troço, a cota entre os dois cortes no diâmetro maior e menor

(ilustradas na Fig. 5.11), a diminuição total é a subtracção da cota de corte menor à maior divida por

dois, o respectivo seno e ângulo (α).

Tabela 5.1. Principais dados do Troço.

Dados do Troço

Comprimento total (mm) 8877,083

Cota de corte maior (mm) 3393,709

Cota de corte menor (mm) 2708,892

Diminuição total (mm) 342,409

Seno (α) 0,038572

Ângulo α (graus) 2,210561

Além dos deslocamentos descritos anteriormente, até ao instante de realizar as buscas para

encontrar o início da peça, foi necessário realizar um conjunto de cálculos que levassem à obtenção

dos deslocamentos necessários em função do primeiro ponto de corte para realizar as buscas

longitudinalmente. Simultaneamente, são calculados os deslocamentos longitudinais e os

deslocamentos para aproximação do robô à peça, fazendo com que o robô se mantenha a uma

distância constante da peça, para que as buscas na parte do Troço com menor diâmetro demorem o

mesmo tempo que as buscas realizadas na parte do Troço que tem um diâmetro maior. Caso não fosse

utilizada a proximidade constante do robô à peça, e uma vez que a velocidade das buscas é de

10 mm/s, o tempo de busca seria cada vez maior e, à medida que o diâmetro do Troço fosse

diminuindo, o robô teria de percorrer uma distância maior até encontrar a peça.

Para apoio à realização dos cálculos referidos considerou-se a vista superior do Troço com a

marcação dos pontos de corte na Fig. 5.12.

Fig. 5.12. Vista superior do Troço [2].

57

Através da Fig. 5.12 é possível estabelecer um triângulo rectângulo definido pelo ponto de início

de corte (Ponto 1) e o ponto final de corte (Ponto 13), de forma a efectuar os cálculos para os vários

deslocamentos (offsets), seja o deslocamento longitudinal (cateto adjacente do triângulo) ou os

deslocamentos de proximidade à peça (cateto oposto do triângulo).

Todos os deslocamentos são efectuados em função do Ponto 1. Assim, apenas varia o cateto

oposto e o cateto adjacente do triângulo rectângulo. Foi elaborada uma tabela em Excel onde é dado o

valor da hipotenusa, a partir do qual é calculado o valor do cateto adjacente, do cateto oposto e a

distância final do robô à peça.

Na Tabela 5.2 estão apresentados todos os cálculos efectuados respeitantes a cada ponto que

define o corte do Troço. A coluna “hipotenusa” define a distância entre o Ponto 1 e um ponto

específico, enquanto as colunas do cateto oposto e do cateto adjacente correspondem aos valores de

cateto que definem o triângulo rectângulo. Todos estes cálculos são realizados com recurso às funções

trigonométricas.

Por fim, a coluna do deslocamento do robô é o valor de deslocamento efectuado pelos eixos

externos para este manter uma distância constante de 60 mm à peça, sendo este valor subtraído ao

valor do cateto oposto. O valor escolhido foi 60 mm pelo facto de ser um valor que faz com que o robô

não fique muito afastado da peça e por isso seja relativamente rápido a efectuar buscas. Por outro lado,

a distância é suficiente para que exista baixa probabilidade de colisão com a peça.

Tabela 5.2. Cálculos do corte do Troço.

Ponto Hipotenusa Cateto adjacente Cateto oposto Deslocamento do robô

(mm) (mm) (mm) (mm)

1 - - - -

2 1315 1314,02 50,72 -

3 1615 1613,80 62,29 2,29

4 2433 2431,19 93,85 33,85

5 3250 3247,58 125,36 65,36

6 4585 4581,59 176,85 116,85

7 4835 4831,40 186,50 126,50

8 5668 5663,78 218,63 158,63

9 6500 6495,16 250,72 190,72

10 7093 7087,72 273,59 213,59

11 7835 7829,17 302,21 242,21

12 8085 8078,98 311,86 251,86

13 8875 8868,40 342,33 282,33

Com base nos valores das colunas do cateto adjacente e do deslocamento do robô, são efectuados

os deslocamentos (offsets), com o robô e com os eixos externos, de modo a percorrer toda a linha

longitudinal e efectuar as múltiplas buscas que posteriormente vão definir o traçado de corte.

58

Os cálculos e a descrição anterior são, especificamente, para um lado do corte do Troço. Para o

outro lado, o corte é um espelho deste. Assim, todos os cálculos efectuados são idênticos para o outro

corte, sendo apenas necessário alterar o sinal dos deslocamentos (offsets) da coluna do deslocamento

do robô e das buscas de peça. Enquanto os deslocamentos longitudinais se mantêm.

A programação destes cortes é muito extensa. O programa realizado para executar este corte pode

ser consultado em suporte digital no CD. O nome onde está incluído este programe é C_LOW_NA.

Alterações durante a fase de testes 5.2.4

Depois de programar este corte do troço, constatou-se a necessidade de compensar o corte na

vertical. Isto é, este corte não está completamente na horizontal, o que leva a ter de efectuar pequenos

ajustes na vertical.

Corte do Top Cover/Hatches 5.3

Posicionamento do Gabari 5.3.1

O Gabari (Berço Superior) possui uma particularidade especial relativamente ao Berço Inferior.

Como é móvel, a sua posição para se proceder ao corte varia de cada vez que é movimentado.

Como este Gabari só se encontra fixo através de um pino existente num dos seus vértices, o

Gabari poderia ficar em posição diferente depois de movimentado e colocado outra vez na mesma

posição. Ou seja, o Gabari podia ser rodado em torno do pino existente, apresentado na Fig. 5.13.

Fig. 5.13. Pino posicionador do Gabari Superior [1].

Na ilustração da Fig. 5.14 é possível visualizar o que foi relatado anteriormente. As imagens

mostram o efeito de rotação que o Gabari pode sofrer, embora não existia uma rotação muito

significativa em torno do pino (representado por um círculo). No entanto uma pequena diferença é

suficiente para que, se fosse executado o corte automatizado, a peça ficasse com dimensões fora das

tolerâncias permitidas.

59

(a) (b)

Fig. 5.14. Posição do Gabari Superior: (a) Posição1, (b) Posição 2.

Devido a este efeito, foi necessário implementar um sistema que permitisse ao operador, quando

posicionasse o Berço Superior, este ficasse sempre na mesma posição. Uma solução seria colocar um

outro pino noutro vértice do Gabari. O problema com esta solução é que, devido às dimensões e peso

do Gabari, após alguma utilização, o pino iria provavelmente ser arrancado.

Assim, a solução encontrada foi adaptar um batente. Basicamente, o operador depois de encaixar

o pino no orifício do berço, apenas tem de rodar o berço em torno do pino, de modo a fazer com que o

berço fique encostado ao batente situado noutro vértice.

A Fig. 5.15 (a) mostra a posição do batente (a laranja), enquanto a Fig. 5.15 (b) mostra uma

imagem do referido batente.

(a) (b)

Fig. 5.15. Batente do Gabari Superior: (a) Posicionamento, (b) Imagem do Batente.

O posicionamento constante do Gabari foi fundamental para o processo de corte automatizado

que foi implementado.

Corte das barras longitudinais 5.3.2

Quando se refere o corte das barras longitudinais, pretende-se referir especificamente ao corte

ilustrado na Fig. 5.16.

Fig. 5.16. Esquema de corte das barras longitudinais [2].

60

5.3.2.1 Definição de pontos de referência

As principais indicações para escolha dos pontos de referência para este conjunto de cortes são

iguais aos cortes do Troço. Basicamente, devem ser escolhidos pontos que não variem

independentemente do processo.

Para este corte, foi escolhido um ponto que apenas esteja contido na aresta de uma das costelas

do Gabari Superior. O ponto referido não necessita de ser exacto no momento de buscas do Gabari

uma vez que posteriormente será realizada uma busca de início de peça. Assim, o robô apenas

necessita de efectuar duas buscas para detectar um ponto da aresta assinalada com o círculo laranja na

Fig. 5.17.

Fig. 5.17. Busca de aresta do Gabari Superior [2].

Para uma vista mais pormenorizada, considere-se a Fig. 5.18 onde é possível visualizar com

precisão a aresta em que o robô deve identificar um ponto. Neste caso o ponto está representado a

vermelho na respectiva aresta.

Fig. 5.18. Vista pormenorizada da detecção da aresta do Gabari Superior [2].

Este ponto de referência do Gabari Superior é aquele a partir do qual é iniciado um conjunto de

deslocamentos (offsets) até se encontrar o início da peça. A partir deste ponto, posteriormente, são

efectuadas buscas longitudinalmente ao longo da peça.

Este procedimento está descrito e foi ilustrado para o corte longitudinal de um dos lados. Para o

corte do lado oposto os procedimentos são exactamente iguais.

61

5.3.2.2 Definição de trajectórias

A trajectória definida para este corte é muito simples e optimizada para que o processo seja o

mais rápido possível. Para uma melhor explicação sobre este corte tome-se como referência a Fig. 5.19

e sempre que for relatado um movimento associado a uma seta colorida. Esta figura é meramente

ilustrativa, uma vez que no momento deste processo ainda não existe nenhum outro elemento para

além de uma chapa calandrada, ao contrário do que está representado na figura.

Neste caso, depois do robô ter identificado o ponto da aresta do Gabari, este faz um

deslocamento vertical ilustrado pela seta vermelha. Depois efectua outro deslocamento representado a

laranja para começar a efectuar buscas na peça com vista à obtenção do ponto de início da peça. A

partir deste ponto são efectuados os deslocamentos para realizar as buscas do corte longitudinal.

Seguidamente, o robô percorre longitudinalmente toda a chapa a uma distância predefinida, no

sentido que é indicado pela seta amarela. Esta possibilidade é viável porque o corte é horizontal, ou

seja, colocando o robô num extremo, apenas é necessário variar um dos eixos externos para ao

conseguir chegar ao outro extremo do corte a ponta da tocha estar exactamente no ponto final de corte,

ou seja, o corte a executar está nivelado.

Depois de efectuadas todas as buscas, é realizado o corte. Para optimizar o processo, o corte é

efectuado em sentido contrário ao das buscas da peça (seta verde). Este procedimento evita que o robô

se tenha de deslocar novamente até ao início para realizar o corte no mesmo sentido em que são feitas

as buscas.

Fig. 5.19. Definição de trajectórias no corte longitudinal [2].

A trajectória definida para este corte longitudinal é idêntica para efectuar o corte longitudinal do

lado oposto.

5.3.2.3 Programação do corte

A programação do corte longitudinal, para ser optimizada em termos do tempo de execução, foi

baseada num conjunto de cálculos efectuados a partir do projecto da peça.

A definição dos pontos foi intercalada pelas uniões de soldadura. Ou seja, a união das virolas têm

um cordão de soldadura devendo ser obtido um ponto nas suas proximidades, assim como no meio do

62

comprimento de cada virola. Existem ainda outros pontos que fazem com que seja possível dividir a

faixa cortada em partes para ser mais fácil aos operadores moverem-na posteriormente.

Considere-se os pontos que definem o corte final, aqueles que estão assinalados a vermelho e

numerados na Fig. 5.20. Estes pontos são os locais onde devem ser realizadas buscas na peça, à

excepção dos pontos 7 e 13, sendo estes os que permitem cortar a faixa de modo a esta ficar divida em

partes mais pequenas.

Fig. 5.20. Pontos de corte das barras longitudinais do Top Cover e Hatches [2].

Para programar estes pontos, inicialmente foi realizado o cálculo das distâncias inerentes ao

processo. O primeiro passo foi obter um conjunto de cotas através de um modelo 3D em SolidWorks

paralelamente a cotas reais de peças tipo. A peça antes de cortada é a parte superior do corte do Troço,

mas não podem ser usadas as mesmas cotas do corte do Troço porque, devido ao corte de uma

pequena faixa longitudinal de cada lado, as cotas vão ser ligeiramente diferentes.

As cotas fundamentais para cálculo dos deslocamentos são apresentadas na Fig. 5.21.

Fig. 5.21. Vista superior ilustrativa das cotas do Top Cover e Hatches (vista superior) [2].

A partir das cotas ilustradas é possível proceder ao cálculo do ângulo α, utilizando o

comprimento total (8867,239 mm) e a cota da diminuição total (344,485 mm). Para uma maior rapidez

no cálculo que vai ser apresentado posteriormente, considerem-se os valores dados e obtidos a partir

do Excel.

63

Tabela 5.3. Principais dados do Top Cover e Hatches.

Dados de Top Cover e Hatches

Comprimento total (mm) 8867,239

Comprimento do Top Cover (mm) 3820,049

Diminuição do Top Cover (mm) 147,173

Diminuição total (mm) 344,485

Seno (α) 0,038849

Ângulo (graus) 2,222373

Para além do deslocamento vertical do Gabari até à altura em que o corte é realizado, foram

calculados os deslocamentos longitudinais que o robô deve efectuar em função do ponto de início de

peça, ou seja, o primeiro ponto de corte. São calculados os deslocamentos na longitudinal, e

simultaneamente os deslocamentos relativos à distância à peça, de modo a que o robô se mantenha

sempre à mesma distância da peça. Se assim não fosse, na parte da peça com um diâmetro menor, o

robô demoraria muito tempo a efectuar as buscas, uma vez que estaria muito afastado da mesma e a

velocidade da busca tem de ser muito baixa (sensivelmente 10 mm/s).

Assim, considere-se a vista superior do Top Cover e Hatches ilustrada na Fig. 5.22.

Fig. 5.22. Vista superior do Top Cover e Hatches [2].

Como é possível observar, a partir do Ponto 1, como existe um ângulo de aproximadamente 2˚, é

possível estabelecer um triângulo rectângulo como ilustrado na Fig. 5.22, a partir do qual é possível

calcular os deslocamentos longitudinais e os deslocamentos que devem ser efectuados para aproximar

o robô da peça (cateto oposto do triângulo).

Neste caso, a partir do Ponto 1 foram calculados os deslocamentos até ao Ponto 8 inclusivé. Os

pontos compreendidos entre o Ponto 9 e o Ponto 16 inclusivé, devido às dimensões das Hatches serem

menores do que o Top Cover, estes são definidos em função do Ponto 8.

A partir desta informação, foi elaborada a Tabela 5.4 em Excel que permite calcular todos os

valores de hipotenusas, catetos opostos e adjacentes, e ainda a distância final do robô à peça. Nesta

64

tabela está contida a informação respeitante a cada ponto que define o corte. A coluna hipotenusa

indica o valor da hipotenusa para cada ponto do corte com referência ao Ponto 1 (vértice do triângulo

rectângulo). A coluna hipotenusa 9-16 diz respeito ao valor da hipotenusa dos pontos entre o Ponto 9 e

o Ponto 16 inclusivé, tendo como referência o Ponto 8 (vértice do triângulo rectângulo). Os valores

dos catetos (adjacente e oposto) são calculados com recurso a funções trigonométricas relativamente

aos valores de hipotenusa definidos para um triângulo rectângulo com um dos seus vértices no

Ponto 1. A coluna do cateto oposto 9-16, corresponde aos valores dos catetos para os pontos entre o

Ponto 9 e o Ponto 16, com referência para um vértice do triângulo rectângulo no Ponto 8. Finalmente,

o deslocamento do robô é o valor do cateto oposto subtraído da distância do robô à chapa, de forma

que este possa movimentar-se longitudinalmente sem colidir com a peça. O valor utilizado foi 60 mm.

Este é um valor e compromisso. Por um lado garante que não haja colisões com a peça. Por outro lado,

não sendo muito elevado permite efectuar buscas rápidas. Para os pontos entre o Ponto 1 e o Ponto 6

inclusivé, o valor do cateto oposto é calculado com base no vértice do triângulo no Ponto 1, enquanto

o valor do cateto oposto para os pontos entre o Ponto 9 e o Ponto 16 tem por base um triângulo com o

vértice no Ponto 8.

Tabela 5.4. Cálculos dos cortes longitudinais.

Ponto Hipotenusa

Hipotenusa

9-16 Cateto adjacente Cateto oposto

Cateto oposto

9-16 Deslocamento do robô

(mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm)

1 - - - - - -

2 808 - 807,39 31,39 - -

3 1615 - 1613,79 62,74 - 2,74

4 2433 - 2431,17 94,52 - 34,52

5 3250 - 3247,56 126,26 - 66,26

6 3820 - 3817,13 148,40 - 88,40

7 3820 - 3817,13 148,40 - 88,40

8 3820 - 3817,13 148,40 - 88,40

9 4835 1015 1014,24 187,84 39,43 -

10 5668 1848 1846,61 220,20 71,79 11,79

11 6500 2680 2677,98 252,52 104,12 44,12

12 7093 3273 3270,54 275,56 127,15 67,15

13 7093 3273 3270,54 275,56 127,15 67,15

14 7685 3865 3862,09 298,56 150,15 90,15

15 8280 4460 4456,65 321,67 173,27 113,27

16 8875 5055 5051,20 344,79 196,38 136,38

Com base nos valores cálculos são efectuados os deslocamentos (offsets), com o robô e com os

eixos externos para percorrer a longitudinal a efectuar as buscas de peça.

65

Estes cálculos foram realizados para um dos cortes longitudinais. Para o corte do lado oposto

todos os valores de deslocamentos são exactamente iguais, apenas variando o sentido de deslocamento

das buscas, mantendo-se o sentido dos deslocamentos longitudinais.

Toda a programação associada às buscas e ao corte pode ser consultada no programa C_TOP_NA

em suporte digital no CD.

5.3.2.4 Alterações durante a fase de testes

Como é natural, nem tudo que é previsto teoricamente pode ser transposto, exactamente da

mesma forma, para a prática. Assim, durante a fase de programação foi necessário efectuar algumas

alterações relativamente ao previsto. Destas alterações, algumas tinham de ser forçosamente

implementadas porque colocavam em causa o processo de corte, enquanto outras apenas foram

efectuadas para facilitar as tarefas aos operadores.

A primeira alteração forçada consistiu em compensar na vertical os pontos que definiam o corte

(variações de milímetros), caso contrário o corte sairia menor.

A alteração que apenas se destinou a tornar o desempenho dos operadores mais fácil, foi

acrescentar mais dois pontos de corte para cada lado do corte da barra longitudinal, fazendo com que

as tiras que constituem as barras ficassem com um comprimento menor para melhor remoção.

Na Fig. 5.23 é possível ver as alterações em termos de pontos, ou seja, foram acrescentados os

Pontos 3.1 e 10.1.

Fig. 5.23. Alteração nos pontos de corte das barras longitudinais do Top Cover e Hatches [2].

Corte de separação do Top Cover/Hatches 5.3.3

O corte de separação do Top Cover/Hatches tem uma forma circular e está representado na

Fig. 5.24. Esta figura é meramente ilustrativa do corte, uma vez que no momento efectivo do corte, a

peça não contém nenhum elemento no seu interior, nem nenhum corte, à excepção dos cortes das

barras longitudinais previamente realizados.

66

Fig. 5.24. Representação do corte do Top Cover/Hatches [2].

5.3.3.1 Definição de pontos de referência

O corte de separação do Top Cover das Hatches não constituía nenhuma possibilidade de

referenciar o início e o fim de corte no Gabari. Deste modo, apenas ficou a opção de referenciar o

início de corte a partir da peça que, no momento da realização deste corte, já tinha o corte das barras

longitudinais efectuado. O ponto de referência utilizado está localizado no local assinalado pelo

círculo laranja representado na Fig. 5.25.

Fig. 5.25. Busca de início de peça para corte do Top Cover/Hatches [2].

Uma ilustração mais pormenorizada pode ser conseguida através da Fig. 5.26, onde é possível

observar o ponto que o robô tem de identificar no início da peça. O ponto referido está representado a

vermelho.

67

Fig. 5.26. Vista pormenorizada da detecção da aresta para o corte do Top Cover/Hatches [2].

Este é o ponto de referência para o corte de separação do Top Cover/Hatches, a partir do qual, o

robô efectua o conjunto de deslocamentos (offsets) até ao local onde tem de ser iniciado o corte. A

partir destes deslocamentos, o robô considera um novo ponto de referência virtual, calculado e

exemplificado na secção 5.3.3.3, de modo a que seja possível efectuar o corte circular.

5.3.3.2 Definição de trajectórias

Como em todos os outros cortes, as trajectórias definidas para as buscas e para o corte, foram as

mais simples possíveis e as que simultaneamente optimizavam o tempo de deslocamento e corte.

De modo a servir de referência à descrição seguinte, considere-se a Fig. 5.27 sempre que seja

mencionado um movimento associado a uma seta colorida, uma vez que nesta figura estão

apresentados os movimentos que o robô deve efectuar para realizar as buscas e o corte.

Depois de efectuadas as buscas no início da peça, o robô deve realizar dois deslocamentos com

um valor igual ao calculado para o Ponto 6 do corte das barras longitudinais (Tabela 5.4 - Página 64),

de modo a ir de encontro ao início do trajecto onde tem de iniciar as buscas. Estes deslocamentos são

dois e estão representados com duas setas laranja na Fig. 5.27.

Seguidamente, o robô percorre o trajecto a uma distância à chapa pré-definida, no sentido

indicado pela seta amarela. Durante este trajecto, são efectuadas múltiplas buscas da peça previamente

calculadas, de modo a poder estabelecer os pontos que posteriormente irão permitir definir o corte.

Realizadas todas as buscas, o robô encontra-se do lado oposto ao início das buscas. Para

optimizar o processo, o corte é realizado no sentido oposto ao das buscas, tal como mostra indicado

pela seta verde. Este método foi utilizado para minimizar os tempos de deslocação e optimizar o

processo.

68

Fig. 5.27. Definição de trajectórias no corte de separação do Top Cover/Hatches [2].

5.3.3.3 Programação do corte

A programação do corte teve como base um conjunto de valores calculados para permitirem

optimizar a programação das buscas e do corte.

Inicialmente foram definidos os pontos que iriam definir o corte. A escolha teria de recair sobre

um número de pontos ímpar devido ao facto do primeiro ponto ser do tipo linear e a partir daí todos os

outros do tipo circular, com a condição de que os pontos de movimentos circulares têm de ser em

número par. Assim, o número de pontos do trajecto de corte ficou fixado em nove. Este número é

suficiente para definir o corte com o detalhe necessário e não é demasiado de forma a não demorar

excessivamente as buscas.

A Fig. 5.28 ilustra a distribuição de pontos pelo trajecto de corte, com uma divisão equidistante

por arcos de circunferência.

Fig. 5.28. Pontos de corte da separação do Top Cover/Hatches [2].

69

A informação contida na Tabela 5.5 é fundamental para o cálculo do corte de separação do Top

Cover/Hatches. Estes dados são utilizados para efectuar os cálculos de deslocamentos entre os vários

pontos que definem as buscas.

Na Tabela 5.5 estão apresentados o raio do semi círculo obtido a partir de um modelo em

SolidWorks, o raio do semi círculo para buscas é um valor obtido a partir do valor do raio do semi

círculo subtraído do valor da distância que vai desde a ponta da tocha à linha imaginária que define o

eixo de rotação da junta 6, através do qual efectua a rotação durante este processo. Neste caso, essa

distância é de 200 mm. Nesta situação é também subtraído o valor de afastamento à chapa que o robô

deve respeitar para percorrer o trajecto de buscas sem colidir com a peça, tendo sido um valor de

70 mm.

O raio máximo de busca é calculado para que no momento de realizar as buscas se ter a certeza

de que o robô encontra a peça. Esta solução teve de ser implementada porque eventuais desvios das

peças podiam causar a sua não detecção caso o raio fosse o real, ou seja, o do modelo. Com esta

solução, o robô encontra sempre a peça. O valor do raio máximo assumido foi o resultante da soma de

150 mm ao valor do raio de semi círculo para buscas, considerado incluídos 70 mm para o afastamento

da peça à tocha do robô.

O ângulo de corte possui um valor que foi obtido a partir do modelo da peça e que é apresentado

na Tabela 5.5. Os ângulos parciais dizem respeito aos valores obtidos a partir do ângulo de corte

dividido pelo número de pontos de corte. Sobre o ângulo de início do corte, este é obtido a partir do

valor de meia circunferência (180˚) subtraído do valor do ângulo de corte, dividido por dois.

Tabela 5.5. Principais dados do corte de separação do Top Cover/Hatches.

Dados corte de separação do Top Cover/Hatches

Raio do meio círculo (mm) 1592,454

Raio do meio círculo para buscas (mm) 1322,454

Raio máximo de busca (mm) 1472,454

Ângulo de corte (graus) 146,94

Ângulos parciais (graus) 18,3675

Ângulo de início do corte (graus) 16,53

Os valores da Tabela 5.5 são os elementos fundamentais a partir dos quais foi programado o corte

de separação do Top Cover/Hatches. Alguns pormenores serão explicados de seguida.

Inicialmente foi necessário posicionar as juntas do robô de modo a que estas estivessem com

valores de 0 ou 180˚, à excepção da junta 6, que deveria ter o valor de (90˚ - 16,53˚) para iniciar as

buscas de referenciamento da peça.

Ao contrário dos outros cortes, em que a detecção do início de peça era efectuada com o robô e

com o sistema de coordenadas cartesianas, neste caso a detecção teve de ser feita junta a junta com os

70

eixos externos, de modo a que a posição do robô (valores das suas juntas) fosse mantida constante,

para que a rotação em torno da junta 6 não apresentasse desvios ao efectuar o corte.

A programação deste corte foi efectuada com referência à Fig. 5.29, a partir da qual foram

efectuados os cálculos de deslocamento referido a um ponto virtual representado a vermelho na figura

(referência).

Fig. 5.29. Vista do corte de separação do Top Cover/Hatches [2].

Inicialmente o robô efectua um deslocamento desde o início de busca da peça até ao Ponto 1,

uma vez que este deslocamento é exactamente igual ao deslocamento do Ponto 6 para os cortes

longitudinais.

Depois do robô se ter deslocado até ao Ponto 1, onde efectua a primeira busca, é calculado o

ponto de referência com offsets e ângulos. Este ponto é um ponto virtual que serve para calcular todos

os outros pontos em função dele. Os valores dos deslocamentos podem ser visualizados quando for

calculado o Ponto 1 em função da referência. Apenas os valores dos deslocamentos têm sentidos

opostos.

Para o cálculo do conjunto de deslocamentos considere-se o triângulo rectângulo na Fig. 5.29.

Como é óbvio, os lados do triângulo rectângulo variam dependendo do ângulo α, a partir do qual, e em

conjunto com o valor da hipotenusa, é possível calcular, para cada ponto, o valor dos deslocamentos a

efectuar. Deste modo, foi criada a Tabela 5.6 com os valores dos ângulos e dos catetos para cada ponto

do corte.

71

Tabela 5.6. Cálculo de catetos adjacentes e opostos para cada ponto.

Ponto Ângulo (α) Cateto adjacente Cateto oposto

(graus) (mm) (mm)

Referência 0 1322,454 0

1 16,53 1267,798 376,261

2 34,8975 1084,646 756,589

3 53,265 790,979 1059,828

4 71,6325 416,719 1255,081

5 90 0,000 1322,454

6 108,3675 -416,719 1255,081

7 126,735 -790,979 1059,828

8 145,1025 -1084,646 756,589

9 163,47 -1267,798 376,261

Obtidos estes valores, e como foi possível observar na Fig. 5.29, o ponto de referência não é o

centro da circunferência, sendo necessário efectuar os cálculos para os valores dos deslocamentos

tendo como referência o ponto de referência.

Deste modo, a Tabela 5.7 apresenta os valores dos deslocamentos calculados. A coluna do cateto

adjacente tem um valor obtido a partir do raio do semi círculo para buscas (Tabela 5.5 - Página 69),

subtraído do valor do cateto adjacente da Tabela 5.6. O valor do cateto oposto mantém-se igual.

Tabela 5.7. Valor dos deslocamentos.

Ponto Cateto adjacente Cateto oposto

(mm) (mm)

Referência - -

1 54,656 376,261

2 237,808 756,589

3 531,475 1059,828

4 905,735 1255,081

5 1322,454 1322,454

6 1739,173 1255,081

7 2113,433 1059,828

8 2407,100 756,589

9 2590,252 376,261

Com esta tabela estão encontrados os valores dos offsets que devem ser efectuados para cada

ponto, tendo como referência o ponto denominado de referência, de modo a percorrer todo o trajecto a

uma distância pré-definida da chapa.

Todos os offsets devem ser efectuados apenas com os eixos externos devido às dimensões da

peça serem de tal forma grandes que o volume de trabalho obtido apenas utilizando o robô não seria

72

suficiente. Durante os referidos deslocamentos todos os movimentos são realizados junta a junta, de

modo a manter a posição de todas as juntas do robô com um valor constante (excepto a junta 6, que é a

junta de rotação). O processo de busca é realizado apenas com o robô e em coordenadas cartesianas,

de modo a ser possível realizar deslocamentos diagonais para encontrar a peça (buscas), mantendo a

perpendicularidade da tocha com a peça.

Depois dos cálculos efectuados para todos os deslocamentos, foi necessário efectuar alguns

cálculos para proceder à busca da peça. Como o corte é circular (no eixo y), em cada ponto de busca as

componentes do triângulo rectângulo formado entre o eixo de rotação e a chapa são diferentes. Assim,

foi necessário efectuar os cálculos para cada um dos pontos com um raio superior. O objectivo foi

posteriormente subtrair aos valores destas novas componentes do triângulo rectângulo, as

componentes dos triângulos rectângulos calculados com o raio menor, de forma a conhecer o valor do

deslocamento máximo, apenas do robô, para detectar a peça. A representação deste pressuposto é igual

à da Fig. 5.29. A única diferença diz respeito ao valor do raio, que passa a ser o valor apresentado na

Tabela 5.5 para o raio máximo de busca (1472,454 mm).

A Tabela 5.8 apresenta o valor dos novos catetos para cada um dos pontos do triângulo

rectângulo formado em cada ponto de corte. Relativamente ao ângulo formado em cada ponto, este é

igual ao valor apresentado na Tabela 5.6.

Tabela 5.8. Cálculo de catetos adjacentes e opostos para o valor do raio de buscas.

Ponto Cateto adjacente Cateto oposto

(mm) (mm)

1 1411,599 418,939

2 1207,673 842,406

3 880,697 1180,040

4 463,986 1397,440

5 0,000 1472,454

6 -463,986 1397,440

7 -880,697 1180,040

8 -1207,673 842,406

9 -1411,599 418,939

Depois de obtidos os valores na Fig. 5.8, partiu-se para a subtracção dos valores das componentes

dos catetos adjacentes (na Tabela 5.8) pelos valores dos catetos adjacentes apresentados na Tabela 5.6.

O processo descrito para os catetos adjacentes é igualmente válido para os catetos opostos.

A Tabela 5.9 apresenta os valores que foram aplicados nas buscas de peça para cada um dos

pontos. Esta divisão é importante uma vez que, em cada ponto de busca, o ângulo é diferente e

consequentemente também as componentes de deslocamento de busca do robô têm de ser diferentes.

73

Tabela 5.9. Valores das componentes de deslocamento do robô para efectuar as buscas.

Ponto Cateto adjacente Cateto oposto

(mm) (mm)

1 143,801 42,678

2 123,027 85,817

3 89,717 120,212

4 47,267 142,358

5 0,000 150,000

6 -47,267 142,358

7 -89,717 120,212

8 -123,027 85,817

9 -143,801 42,678

Com os cálculos apresentados foi possível obter a posição da peça e determinar os pontos que

definem o corte. A partir deste momento pode ser realizado o corte. No entanto, apenas em condições

ideais onde a chapa não tivesse empenos (deformações) e o ângulo fosse constante. Deste modo, para

cada ponto que define o corte é necessário implementar um afastamento da chapa para evitar que, ao

cortar, o robô não colida com a chapa. O valor considerado foi de 5 mm, sendo um valor que já estava

a ser utilizado anteriormente com um resultado final adequado. Para uma rápida obtenção dos valores

de afastamento a que o robô deve obedecer devido às circunstâncias do corte circular, foi elaborada

uma tabela para calcular o valor das duas componentes. A Tabela 5.10 apresenta os valores das

componentes de afastamento para cada ponto. Os valores foram calculados utilizando razões

trigonométricas, através do valor da hipotenusa e do valor do ângulo para cada ponto. Para cada ponto,

o valor dos ângulos são os apresentados na Tabela 5.6.

Tabela 5.10. Valor das componentes para afastamento do robô da chapa.

Ponto Hipotenusa Cateto adjacente Cateto oposto

(mm) (mm) (mm)

1 5 4,793 1,423

2 5 4,101 2,861

3 5 2,991 4,007

4 5 1,576 4,745

5 5 0,000 5,000

6 5 -1,576 4,745

7 5 -2,991 4,007

8 5 -4,101 2,861

9 5 -4,793 1,423

74

Através do conjunto de cálculos apresentados nesta secção foi realizada a programação do corte

que implicou um elevado número de linhas de código. O código respeitante a este corte pode ser

consultado em suporte digital no CD com nome de programa C_TOP_NA.

Reitera-se que a utilização da busca com os eixos externos para a detecção do ponto inicial neste

corte, devido à necessidade de se manter o valor das juntas do robô com um valor constante, implicou

que não se pudesse utilizar o programa de buscas previamente elaborado e que tinha como objectivo

simplificar e reduzir o tamanho do código necessário. Assim, foi necessário incluir no programa

código para fazer as três buscas com os três eixos externos de translação.

5.3.3.4 Alterações durante a fase de testes

Durante a fase de testes neste corte, as alterações introduzidas foram no sentido de compensar as

dificuldades de colocar o robô de modo a descrever um semicírculo perfeito para o corte quando

rodado em função de um único eixo. Supostamente seria necessário colocar as suas juntas com valores

exactos (por exemplo 0˚, 90˚ ou 180˚) mas o problema é que a masterização do robô já havia sido

mexida, e nunca fica exactamente igual ao momento em que o mesmo é novo. Como estas variações

são constantes, a compensação não coloca em causa o processo de corte, muito pelo contrário.

Na Fig. 5.30 é possível visualizar, com recurso às setas, as compensações que foram feitas.

Excepto o ponto número 1, todos os outros pontos tiveram compensações no sentido da seta de cor

preta.

Fig. 5.30. Alteração aos pontos de corte da separação do Top Cover/Hatches [2].

Corte de separação das Hatches 5.3.4

O corte de separação das duas Hatches é o corte de uma pequena faixa de 3 cm, ilustrado na

Fig. 5.31. A imagem é apenas representativa, uma vez que, nesta fase, a peça ainda não possui nenhum

corte efectuado como mostra a figura, nem possui qualquer outro componente.

75

Fig. 5.31. Representação do corte de separação das Hatches [2].

5.3.4.1 Definição de pontos de referência

O corte de separação das Hatches é realizado no mesmo Gabari onde são realizados os cortes

longitudinais e o corte de separação do Top Cover das Hatches.

A zona onde este corte é iniciado não possui muitos pontos de fácil acesso para o robô, de modo

a permitir referenciar o início do corte. Deste modo, foi necessário uma peça adicional que será

acoplada ao Gabari, e assim facilitar a referência para o início do corte.

Para a colocação desta peça, considere-se a vista global da peça a cortar na Fig. 5.32. Nesta

figura encontra-se assinalado com um círculo laranja, o local onde a peça foi instalada.

Fig. 5.32. Vista global para referenciar o corte das Hatches [2].

Através da imagem apresentada na Fig. 5.33 é possível observar a peça e a face vertical onde é

efectuada a busca assinalada a vermelho. Note-se que esta peça é removível para posteriormente se

poderem colocar mais elementos ou retirar as peças cortadas depois de executado o corte. O robô deve

76

identificar a peça, primeiro verticalmente, e depois lateralmente. A partir desta posição efectua um

conjunto de deslocamentos para começar a executar buscas da peça e posteriormente realizar o corte.

A identificação vertical é efectuada primeiro, uma vez que o robô possui uma superfície maior para

detectar inicialmente a peça de referência e depois efectuar a busca lateral, tendo como referência a

busca vertical. A busca lateral tem de ser precisa devido ao facto de a tocha possuir uma zona isolada

que não permite efectuar buscas.

Fig. 5.33. Referenciador do corte de separação das Hatches e respectivo ponto de referência [1].

5.3.4.2 Definição de trajectórias

A trajectória implementada neste corte foi definida de forma simples e optimizada para que o

processo seja o menos demorado possível. Inicialmente tome-se como referência a Fig. 5.34 que

ilustra a definição dos movimentos imediatamente a seguir às buscas. Nesta imagem é possível

verificar que o robô, depois de efectuar a busca vertical e posteriormente a busca lateral, efectua um

deslocamento no sentido ilustrado pela seta laranja representada na Fig. 5.34, até ficar posicionado na

linha de corte.

Fig. 5.34. Definição da trajectória para centrar o corte de separação das Hatches[2].

Depois do deslocamento referido na Fig. 5.34, o robô começa por efectuar uma busca inicial na

chapa a cortar, a partir da qual são referenciadas as restantes buscas com uma distância pré-definida.

77

Assim, considere-se a Fig. 5.35 para uma visualização mais detalhada dos movimentos do robô.

O primeiro movimento, consiste em percorrer o trajecto a uma distância pré-definida da chapa no

sentido da seta amarela, onde é efectuado um conjunto de buscas à peça com uma distância pré

definida entre elas. Esta solução é possível porque o corte é rigorosamente paralelo ao eixo de

deslocamento do robô, caso contrário, seria necessário compensar com offsets. Como os dois cortes

são próximos (3 cm), a previsível deformação da chapa não é significativa, deste modo, a segunda

linha de corte pode ser definida em função da primeira, e só é necessário efectuar buscas num sentido,

para uma só linha de corte.

Seguidamente o robô volta ao ponto onde iniciou as buscas, a partir de onde começa a realizar o

corte. O corte tem o sentido ilustrado pelas setas verdes na Fig. 5.35.

Fig. 5.35. Definição de trajectórias do corte de separação das Hatches [2].

O processo descrito nesta secção foi o implementado. Poderia ser implementada uma solução

mais optimizada em termos do tempo do processo, que seria iniciar o corte no ponto onde terminaram

as buscas. No entanto, o corte seria iniciado no meio de uma peça e não numa extremidade.

5.3.4.3 Programação do corte

De modo a que o corte ficasse bem definido em termos da sua programação, existiu um trabalho

prévio de estudo para a definição dos deslocamentos. A localização dos pontos de busca para definição

do corte foi estabelecida nas proximidades dos cordões de soldadura que unem as virolas, uma vez que

na zona onde este corte é realizado, a chapa não apresenta grandes irregularidades.

Considerem-se na Fig. 5.36, assinalados a vermelho e numerados, os locais onde devem ser

realizadas as buscas dos pontos de corte que o definem. Esta figura não mostra as uniões das virolas.

78

Assim, considere-se que os pontos 2, 3, 4, 7, 8 e 9 estão situados ao lado dos cordões de soldadura,

enquanto os restantes estão localizados em locais onde não existem cordões de soldadura.

Fig. 5.36. Pontos de corte da separação das Hatches [2].

Considere-se a Tabela 5.11 que apresenta os principais dados do Troço. Estes dados são

essenciais para calcular o ângulo (desnível que existe entre os dois extremos do Troço). Este desnível

vai ser essencial para calcular os valores de offset que o robô deve implementar, na horizontal e na

vertical, para que, durante as buscas, este se mantenha sempre à mesma distância da chapa para não se

perder muito tempo durante o processo. O ângulo foi calculado com base na diminuição do diâmetro

da peça e no valor da hipotenusa, mas para o comprimento total da peça, não para o corte.

Tabela 5.11. Principais dados do Troço.

Dados do corte das Hatches

Distância dos centros dos dois diâmetros (mm) 8870

Diâmetro maior (mm) 3500

Diâmetro menor (mm) 2791

Diminuição total do diâmetro (mm) 709

Hipotenusa (mm) 8877,081

Seno (α) 0,039934

Ângulo α (graus) 2,288658

79

A partir deste momento já é conhecido o ângulo que a construção do Troço apresenta e

consequentemente, a linha que define o corte de separação das Hatches. Deste modo, é possível

estabelecer um triângulo rectângulo auxiliar como aquele que está ilustrado na Fig. 5.37.

Fig. 5.37. Vista superior do corte das Hatches [2].

A programação deste corte exigiu algum cálculo para manter sempre a mesma distância do robô à

chapa no decorrer do processo de busca, fazendo com que este decorra no menor tempo possível.

Como descrito, foi efectuada a busca para os pontos que constituem uma linha e posteriormente a

outra linha foi definida em função da primeira com um offset de 3 cm, ou seja, a largura de corte

pretendida.

Para a realização das buscas dos pontos que constituem uma das linhas, foi necessário efectuar

um conjunto de deslocamentos, de forma que o robô se desloque até ao ponto em que vai realizar a

busca da peça, e no decorrer do trajecto entre os pontos em que inicia a busca se mantenha a uma

distância constante da chapa. O valor da hipotenusa é o valor conhecido que foi medido a partir de

uma peça tipo. Através da hipotenusa e do ângulo é possível calcular os valores do cateto oposto e do

cateto adjacente do triângulo rectângulo da Fig. 5.37.

Para efectuar o cálculo de todos estes valores para cada ponto em função do Ponto 1, aquele que

contém um vértice do triângulo rectângulo, considere-se a Tabela 5.12. Nesta tabela, o valor da

hipotenusa é a distância entre o primeiro ponto e o ponto para o qual se pretende obter as coordenadas.

O cateto adjacente corresponde ao valor que o robô se deve movimentar na horizontal e o cateto

oposto corresponde ao valor da distância à chapa no respectivo ponto. Ambos os catetos são

calculados através de funções trigonométricas simples. Os valores do deslocamento do robô são os

valores de offset que devem ser efectuados na vertical, de modo a manter o robô com uma distância

80

constante à chapa durante o processo de buscas. Neste caso assumiu-se uma distância constante de

60 mm, valor que é subtraído ao valor do cateto oposto.

Tabela 5.12. Cálculos do corte das Hatches.

Ponto Hipotenusa Cateto adjacente Cateto oposto Deslocamento do robô

(mm) (mm) (mm) (mm)

1 - - - -

2 1140 1139,09 45,52 -

3 2330 2328,14 93,05 33,05

4 3990 3986,82 159,34 99,34

5 5020 5016,00 200,47 140,47

O primeiro passo para os cálculos associados aos pontos que definem o corte foi determinar quais

as distâncias a que os pontos de busca deveriam obedecer em relação ao primeiro ponto de busca. Para

o efeito, foram medidos numa peça tipo, os respectivos valores. O primeiro ponto de busca não é

definido na extremidade da peça, mas sim ligeiramente mais para o seu interior, de modo a assegurar

que o robô encontre a peça. Relativamente ao ângulo apresentado para o desnível entre as

extremidades do corte, este é diferente de todos os outros mas apenas em décimas ou centésimas, não

apresentando diferenças significativas. No entanto, apresentam-se também os cálculos realizados

anteriormente na Tabela 5.11.

Para o Ponto 5, apresar de a este corresponder uma hipotenusa de 5020 mm, os valores

calculados anteriormente não são importantes porque o que foi utilizado para marcar limite é o valor

de uma coordenada do corte anterior, ou seja, o corte de separação do Top Cover/Hatches. Este corte

passa exactamente no local onde está representada a linha que une as duas linhas de corte mais longas

(Fig. 5.35 - Página 77). A coordenada que define o limite em que vão ficar situados o Ponto 5 e o

Ponto 6, vai ser dada por uma das coordenadas do Ponto 5 do corte de separação do Top

Cover/Hatches.

A programação realizada em função da descrição e dos cálculos anteriores pode ser consultada no

programa C_TOP_NA no CD em suporte digital.

5.3.4.4 Alterações durante a fase de testes

As alterações neste corte não são significativas, apenas, pequenos ajustes na lateral (horizontal),

que só na fase de testar os cortes é que surgiram os problemas, tendo sido resolvidos os desvios com

pequenos deslocamentos.

81

Corte da Virola de Acesso à Torre 5.4

O corte da Virola de Acesso à Torre tem uma forma circular apesar de apresentar um desnível. O

corte referido está representado na Fig. 5.38.

Fig. 5.38. Corte da Virola de Acesso à Torre [2].

Definição de pontos de referência 5.4.1

O corte da Virola de Acesso à Torre é o corte que apresenta maior dificuldade de execução. O

principal problema prende-se com as diversas inclinações que, no decorrer de todo o corte, o robô tem

de orientar a tocha para que esta se mantenha, constantemente, perpendicular à chapa.

Devido à sua complexidade, este corte não tinha muito mais a fazer que não fosse a referenciação

dos pontos de início e fim de corte, dado que, era nestes pontos, que teria de haver maior rigor.

Relembra-se que este corte era dividido em dois semicírculos e assim continuou depois de efectuada a

reprogramação. Devido à limitação do robô, não foi possível rodar 360˚ sobre a sua primeira junta, a

menos que fosse compensado com outras juntas.

Deste modo, os pontos de referência seleccionados para referenciar o corte são apenas dois e nos

dois lados opostos da parte mais baixa do corte. Para referenciar o início do corte dos dois

semicírculos, o ponto de referência é o mesmo, mas tem de ser identificado no começo de cada início

de corte circular porque as posições do robô (valor das suas juntas) são completamente diferentes para

cada um dos lados do corte.

Para uma definição exacta do ponto de referência, foi necessário construir uma peça que

permitisse ajudar a tal, uma vez que os elementos que constituem a peça apenas permitiam referenciar

exactamente num eixo e não num plano (dois eixos).

A peça construída é temporária, ou seja, apenas é colocada para efectuar o corte, sendo

posteriormente retirada. A zona onde a peça deve ser instalada está assinalada na vista global da

Fig. 5.39 com um círculo cor-de-laranja.

82

Fig. 5.39. Vista global para referenciar o corte da Virola de Acesso à Torre [2].

Recorrendo à Fig. 5.40 é possível visualizar a respectiva peça, assim como, o ponto assinalado a

vermelho que serve de referência para o início do corte.

Através desta peça o robô deve identificar a peça com buscas, primeiro verticalmente, e depois

lateralmente, a partir do qual efectua um conjunto de deslocamentos para identificar a parte frontal.

Depois destes procedimentos está encontrado o ponto de referência pretendido. A identificação

vertical é indispensável, dado o robô ter uma superfície maior para identificar primeiro, só depois

efectua a busca lateral, de modo a, posteriormente, existir a indispensável precisão na busca frontal.

Fig. 5.40. Referenciador do início do corte da Virola de Acesso à Torre e respectivo ponto de

referência [2].

Tal como no ponto de início de corte, o ponto final de cada um dos traçados também é ajustado,

embora apenas em função de um único eixo.

Para o ponto final de corte, o robô deve obter o ponto de referência que está representado a

vermelho na Fig. 5.41. Este ponto é obtido através de uma busca vertical ao baixo para definir a altura

específica da busca horizontal, de modo a determinar o ponto pretendido.

83

Fig. 5.41. Ponto de referência do fim do corte da Virola de Acesso à Torre [2]

Definição de trajectórias 5.4.2

Para uma melhor compreensão do assunto, tome-se como referência a Fig. 5.42 que ilustra o

movimento do robô com uma seta laranja, depois de identificado o ponto representado a vermelho.

Este movimento é feito até próximo da zona onde deve ser iniciado o corte, onde irá ser realizada

uma busca na vertical à chapa, para definir a altura a que esta se encontra. Depois de encontrada a

altura, o robô volta a subir em altura para não colidir com um obstáculo, efectuando um ligeiro

deslocamento (seta amarela), até ao local onde deve começar a efectuar o corte.

Fig. 5.42. Definição da trajectória para iniciar as buscas do corte da Virola de Acesso á Torre [2].

Depois dos deslocamentos descritos, o robô começa por efectuar o corte até um determinado

local como mostra a linha vermelha da Fig. 5.43. De seguida, simula o trajecto de corte (linha

amarela) até ao ponto final, local onde deve realizar uma busca para referência do ponto final de corte.

84

Fig. 5.43. Trajectória de corte e busca do ponto final [2].

Atendendo à distância que existe desde o ponto final de corte até ao local onde se situa o ponto

de referência, foi necessário recorrer a offsets. Assim, considere-se o deslocamento assinalado pela

seta laranja na Fig. 5.44, sendo o movimento que o robô deve realizar para proceder a uma busca

vertical de definição da altura da chapa, podendo depois realizar a busca horizontal de referência

(ponto vermelho). Depois de identificado o ponto de referência, o robô efectua um deslocamento pré-

definido em sentido contrário ao deslocamento inicial. O passo seguinte consiste em voltar a fazer uma

busca vertical, no local do ponto final de corte, com vista à obtenção da altura exacta do corte.

Estando definido o ponto final de corte, o robô volta a fazer a simulação em sentido contrário do

trajecto amarelo da Fig. 5.43. Após chegar ao local onde parou o corte, volta a iniciá-lo, até ao fim.

Fig. 5.44. Trajecto para definição do ponto final do corte circular [2].

Os procedimentos descritos anteriormente para metade da circunferência são exactamente iguais

para a outra metade, abstendo-nos de reiterar o já avançado, sendo que, a única diferença, se reporta ao

posicionamento do robô.

85

Programação do corte 5.4.3

A programação deste corte, ao contrário dos outros, não envolveu qualquer tipo de cálculo. A sua

programação foi realizada numa peça mestre, uma vez que, não era possível efectuar qualquer tipo de

cálculo (exceptuando os deslocamentos), correndo-se o risco, quase certo, de quando aplicado na

prática ser necessário alterar valores.

Como foi referido, apenas o ponto inicial e final são ajustáveis automaticamente, sendo todos os

outros “fixos”, isto é, não podendo ser ajustados de peça para peça. Esta programação pode ser

consultada em formato digital no programa C_LOW_NA gravado no CD.

Compensação das irregularidades da chapa 5.5

Equipamento 5.5.1

O método do robô compensar as irregularidades durante o processo de corte implicou a aquisição

de hardware. Este hardware permite fazer adaptações às máquinas que já existem, de modo a que

estas sejam capazes de efectuar o resultado pretendido. Neste caso, a adaptação foi fazer com que um

robô de soldadura, já adaptado para corte, fosse capaz de receber sinais da máquina de corte e actuar

em função dos seus valores.

A funcionalidade de compensação usada no processo de soldadura é feita a partir de um sensor de

seguimento de junta. Esta ferramenta actua em função de valores de corrente resultante do processo de

soldadura. Tendo em conta que esta ferramenta de compensação é usada no processo de soldadura,

também pode ser usada no processo de corte, mas com as devidas adaptações.

Depois de analisado o manual do robô, verificou-se que existem entradas analógicas no

controlador para adquirir os valores de tensão e de corrente no decorrer do processo de soldadura.

Ambos os sinais são obtidos a partir de duas tensões de 0 a 10V [58] (p.437). Isto significa que uma

das entradas analógicas do controlador, depois de obter o valor da tensão analógica, através de uma

recta definida pelo programador converte uma escala de 0 a 10V para uma escala de 0 a 50V. A

Fig. 5.45 mostra o exemplo de uma recta que pode ser usada para passar um sinal de uma escala para

outra. Este exemplo é para uma saída, mas, para uma entrada é semelhante, assim como para uma

conversão de tensão - corrente.

86

Fig. 5.45.Exemplo de recta de conversão [59] (adaptado p.3-32).

No caso da corrente, o controlador recebe um valor da tensão analógica de 0 a 10V e converte-a

para uma corrente, com escala de 0 a 500A. Estas são as características do processo de soldadura,

através do qual foi necessário partir para a compensação durante o corte. Esta informação descrita

anteriormente é imprescindível para saber a gama de valores de tensão que se podem introduzir nas

entradas do controlador.

Relativamente aos sinais da máquina de corte, o único que vai ser necessário obter é a tensão do

arco entre a chapa (peça) e a ponta da tocha. Na máquina de corte, o valor da tensão nominal do arco

plasma está determinada para 120V DC, podendo sofrer pequenas variações, inferiores ou superiores,

dependendo da distância da tocha à chapa [57] (p.67).

Partindo destes pressupostos, foi necessário adquirir um transdutor, ou seja, um equipamento que

converta o sinal à saída da máquina de corte, para um sinal que possa ser adquirido através da entrada

analógica do controlador. O referido transdutor tinha de ser capaz de receber um sinal de entrada de

120V DC e retransmiti-lo para uma gama de 0 a 10V DC. Devido ao facto do sinal poder sofrer

pequenos desvios, o transdutor teve de ser adquirido com alguma tolerância, de modo a fazer face a

eventuais tensões mais elevadas que possam surgir. Assim, decidiu-se obter um transdutor que tivesse

um valor máximo da tensão de entrada com sensivelmente o dobro da tensão nominal do arco, ou seja

250V DC. Depois de uma pesquisa junto de uma empresa que comercializa este tipo de equipamentos,

obteve-se o transdutor BUM da Fig. 5.46 com o número de artigo 13.111.01.250V (datasheet no

Anexo 2).

Fig. 5.46. Transdutor BUM [63].

87

Motivado pelo facto de poderem existir altas frequências que podem danificar equipamentos

como o controlador ou o transdutor, foi adquirido um filtro. Este filtro tem como objectivo eliminar

possíveis frequências que podem existir no circuito que vai passar no transdutor e que posteriormente

estará ligado à entrada analógica do controlador. O filtro está ilustrado na Fig. 5.47 e as suas

características podem ser consultadas no Anexo 3.

Fig. 5.47. Filtro [64].

Depois de todos os equipamentos interligados, o esquema representativo das ligações, é igual ao

da Fig. 5.48.

Fig. 5.48. Esquema representativo das interligações entre os vários equipamentos.

Na Fig. 5.49 (a) está ilustrado o quadro onde foram instalados os equipamentos com as suas

interligações, enquanto que na Fig. 5.49 (b) está ilustrado o aspecto do quadro depois de fechado com

o involucro frontal.

88

(a) (b)

Fig. 5.49. Quadro: (a) Ligações, (b) Aspecto exterior [1].

Seguimento de junta aplicado em soldadura 5.5.2

Uma vez que o seguimento de junta funciona com base na corrente de soldadura, em função da

corrente instantânea, o robô aproxima ou afasta a tocha de soldar da peça. Se a corrente aumentar, o

robô afasta-se da peça, se a corrente diminuir o robô aproxima a tocha da peça. A compensação em

soldadura pode ser realizada de dois modos: compensação lateral ou compensação vertical. Para

efectuar o seguimento de junta, quando se está a realizar uma soldadura de canto, é indispensável usar

a compensação vertical e lateral. Para que seja possível fazer esta compensação, é necessário realizar

uma soldadura com algumas características particulares, nomeadamente utilizar a oscilação, de modo a

que o robô consiga fazer a leitura da corrente em cada extremo da oscilação.

A Fig. 5.50 apresenta o tipo de oscilação a azul (compensação lateral) no decorrer de um trajecto

e a vermelho está representada a compensação vertical ao longo da soldadura. Através da Fig. 5.50 é

visível os momentos em que a intensidade de corrente é maior quando o fio está mais próximo dos

extremos da oscilação, momento em que o robô faz amostragem de corrente, de modo a que possa

comparar com uma referência e então aproximar ou afastar na vertical ou na lateral. Entenda-se

compensação vertical ou lateral relativamente à definição do TCP da ferramenta. Nestes casos a

compensação vertical é aproximar a tocha da junta, enquanto a compensação lateral é aproximar mais

de uma das chapas.

89

Fig. 5.50. Representação do funcionamento do seguimento de junta [2].

O funcionamento do seguimento de junta envolve um conjunto de parâmetros que são ajustados

através de testes em peças que simulem a peça mestre, de modo a que seja possível obter os cordões de

soldadura desejados. Tipicamente, neste processo não são efectuados qualquer tipo de cálculos ou

teoria para obter a soldadura desejada, até porque, o manual do equipamento apenas descreve o que é

cada um dos parâmetros do seguimento de junta.

O processo descrito anteriormente é o básico para implementar na soldadura. No caso do corte, a

compensação é realizada apenas na vertical, uma vez que o robô se encontra sempre na perpendicular

com a peça. Assim, a situação do corte é apenas de aproximação ou afastamento da tocha à chapa, não

sendo necessário qualquer tipo de seguimento na lateral.

Seguimento de junta aplicado ao corte 5.5.3

A aplicação do seguimento de junta no corte pressupõe a substituição do sinal de tensão da

máquina de soldar pelo sinal obtido a partir da máquina de corte. Relembra-se que o valor da tensão de

arco do plasma varia dependendo da distância, ou seja, quanto mais afastada a tocha da peça, mais se

eleva a tensão e vice-versa. No caso da soldadura a situação é contrária, isto é, quanto mais se afasta a

tocha de soldar da peça, menor é o valor da corrente de soldadura. Visto isto, foi necessário definir

uma nova escala para o gráfico da entrada analógica. Esta mudança na recta da entrada analógica foi

imprescindível, uma vez que, as variações do sinal de tensão do corte são opostas ao sinal de tensão

obtido a partir do valor da corrente de soldadura. A Fig. 5.51 ilustra um exemplo de recta para a

soldadura e para o corte.

90

(a) (b)

Fig. 5.51. Exemplos de gráficos da entrada analógica: (a) Caso da soldadura, (b) Caso do corte.

Por fim, resta fazer a parametrização do sensor de seguimento de junta. Uma vez que no

manual do robô não existe qualquer tipo de informação sobre o hardware a partir do qual é

desenvolvido, assim, não é possível fazer qualquer tipo de estudo teórico prévio, apenas foi possível

parametrizar com testes. Inicialmente efectuou-se um corte com as características desejadas. A partir

desse corte obteve-se o valor de tensão aos terminais de saída do transdutor. De modo a obter-se a

tensão de saída por um voltímetro, o esquema de ligações foi implementado tal como mostra a

Fig. 5.52.

Fig. 5.52. Esquema para obter tensão de saída do BUM.

O valor da tensão medida através do voltímetro para o corte desejado foi 3,55V, enquanto o valor

da corrente associada ao sensor (depois da conversão tensão - corrente) é 330A (valor obtido a partir

da consola de programação). Para não utilizar a máquina de corte durante a parametrização, substituiu-

se a mesma, o filtro e o conversor BUM por uma fonte de alimentação. Durante a parametrização, o

esquema utilizado foi o que está ilustrado na Fig. 5.53.

91

Fig. 5.53. Esquema de simulação do hardware.

A parametrização envolve um conjunto de parâmetros que podem ser desde o limite máximo de

compensação, a compensação por cada ciclo de leitura, início do ciclo de leitura no qual o robô

começa a compensar, etc. O conjunto de todos os parâmetros envolveria uma complexa descrição que

já está feita no manual do robô, não fazendo sentido voltar a descreve-los.

93

6 Conclusões

Relativamente a todos os objectivos que foram inicialmente propostos, considera-se que todos

foram atingidos. O objectivo global do estágio foi automatizar a célula robótica para que esta pudesse

cortar as peças da unidade fabril sem qualquer tipo de intervenção humana, incluindo a compensação

das irregularidades das peças e o aumento da precisão dos cortes. Anteriormente à automatização, os

operadores tinham de ajustar todos os pontos de definição do corte em função das marcações nas

peças. Com a automatização da célula, a capacidade produtiva aumentou, passando o robô a ter uma

capacidade de trabalho superior, nomeadamente ficando disponível para operações de soldadura de

outras peças. Tal deve-se especialmente à redução significativa do tempo da realização dos cortes. Os

impactos produtivos e energéticos podem ser consultados na secção 6.1 permitindo comparar o

desempenho antes e o depois da implementação da automatização da célula. A automatização da

célula é uma mais-valia directa para a direcção fabril, uma vez que permite aumentar a capacidade de

produção e diminuir o custo da mão-de-obra. Como um dos desenvolvimentos futuros deste trabalho,

as melhorias para o processo produtivo podem ser estendidas a um conjunto de outros cortes que ainda

são efectuados manualmente.

Durante o estágio surgiram diversas dificuldades que foram ultrapassadas a seu tempo. A

adaptação à linguagem de programação foi um processo relativamente simples, por existir experiência

prévia em robôs de outra marca. A principal dificuldade inicial foi a concepção do processo que

deveria ser implementado para a realização automática dos cortes. Esta dificuldade foi ultrapassada

depois de se ter conseguido identificar uma solução para um dos cortes através de um conjunto de

cálculos relativos à geometria das peças. A maior dificuldade encontrada foi a implementação da

compensação da distância à peça durante o processo de corte. Mais concretamente, a definição e a

implementação do equipamento necessário para que o robô obtivesse uma leitura dos valores do sinal

da máquina de corte numa entrada analógica do seu controlador. O principal desafio consistiu na

activação do sensor de seguimento de junta, que foi superado através do trabalho de equipa realizado

com o orientador.

Em conclusão, atingir os objectivos propostos foi importantíssimo. No entanto considero que a

aproximação do meio académico ao meio profissional, nomeadamente em ambiente fabril é o aspecto

mais compensador. É nestas situações que é possível verificar a aplicabilidade dos conhecimentos

adquiridos ao longo de um ciclo de estudos de nível superior. Estes estágios permitem aos jovens

beneficiar de uma oportunidade importantíssima de aproximação ao mercado de trabalho e contribuem

também para que as empresas tenham um contacto mais próximo com os jovens diplomados,

resultando muitas vezes em que estas se vinculem ao estagiário.

94

Impacto das alterações implementadas 6.1

As alterações implementadas no processo de corte resultaram em melhorias significativas em

dois aspectos principais: a nível produtivo e a nível energético. Nesta secção serão quantificadas as

melhorias que se obtiveram nos dois níveis referidos, no âmbito da construção de uma peça tipo. É

importante salientar que vão sempre existir outros factores que influenciam os valores apresentados,

como por exemplo a experiência dos operadores, os imprevistos de manutenção, etc.

A nível produtivo 6.1.1

O desempenho a nível produtivo possui uma relação directa com os tempos de processo, ou seja,

com os tempos que são necessários para realizar determinada tarefa ou um conjunto de tarefas. O

objectivo desta análise passa por fazer a comparação entre os tempos de execução dos vários cortes

antes e o depois da automatização implementada. Na Tabela 6.1 apresentam-se as reduções de tempos

de execução representando a melhoria no desempenho obtida na sequência do trabalho desenvolvido

na automatização dos três cortes principais: Troço, Top Cover e Hatches e Virola de Acesso à Torre.

Nas secções 6.1.1.1, 6.1.1.2 e 6.1.1.3 são detalhadas as características das etapas parciais de cada

um dos cortes principais referidos e são comparados os tempos de execução do processo antes e depois

da automatização.

Tabela 6.1. Melhoria produtiva.

Processo Tempo (antes) Tempo (depois) Melhoria

(min) (min) (%)

Corte do Troço 40 16 60

Corte do Top Cover e Hatches 91 30 67

Corte da Virola de Acesso à Torre 25 15 40

6.1.1.1 Corte do Troço

Os tempos de processo para o corte do Troço medidos antes da automatização podem ser

consultados na Tabela 6.2. Esta tabela contém os tempos da marcação dos trajectos de corte para os

dois lados da peça, os tempos de correcção dos pontos, os tempos do corte para cada um dos lados e

por fim o tempo de movimentação do robô.

95

Tabela 6.2. Tempos de processo para o corte do Troço antes da automatização.

Etapas Tempo

(min)

Marcação dos trajectos 0:10:00

Correcção dos pontos (lado 1) 0:06:00

Corte 0:06:00

Correcção dos pontos (lado 2) 0:06:00

Corte 0:06:00

Movimentações (do robô) 0:06:00

Somando todos os tempos indicados na Tabela 6.2, é possível observar que o tempo total do

processo não automatizado era de 40 minutos.

Para o corte automatizado os tempos de processo são apresentados na Tabela 6.3. Pode ser

observado de imediato que o número de etapas do processo também diminuiu, ou seja, eliminou-se a

etapa da marcação dos trajectos.

Tabela 6.3. Tempos de processo para o corte do Troço depois da automatização.

Etapas Tempo

(min)

Buscas da peça (lado 1) 0:03:30

Corte 0:03:00

Buscas da peça (lado 2) 0:03:30

Corte 0:03:00

Movimentações (do robô) 0:03:00

Utilizando a soma de todos os tempos da Tabela 6.3 pode verificar-se que o tempo de execução

para o processo automatizado é de 16 minutos.

Comparando os valores da Tabela 6.2 e da Tabela 6.3 pode verificar-se que a diferença de tempos

de execução é bastante significativa, passando o processo automatizado para menos de metade do

tempo de execução do processo não automatizado.

6.1.1.2 Corte do Top Cover e Hatches

Os tempos de processo para estes cortes foram registados na Tabela 6.4. Esta contém o tempo de

posicionamento da peça, o tempo de marcação de todos os trajectos de corte, os tempos de correcção e

corte para cada um dos cortes, os tempos de movimentação do robô e ainda o tempo de paragem que

existe, por exemplo, para remoção de peças que foram cortadas.

96

Tabela 6.4. Tempos de processo para o corte do Top Cover e Hatches antes da automatização.

Etapas Tempo

(min)

Posicionar peça 0:05:00

Marcação dos trajectos 0:24:00

Correcção dos pontos (corte longitudinal 1) 0:07:00

Corte 0:06:00

Correcção dos pontos (corte longitudinal 2) 0:07:00

Corte 0:06:00

Correcção dos pontos (separação das Hatches) 0:10:00

Corte 0:06:00

Correcção dos pontos (separação Top Cover/Hatches) 0:06:00

Corte 0:02:30

Movimentações (do robô) 0:04:30

Paragens (preparação da peça) 0:07:00

A partir da Tabela 6.4 é possível obter o tempo de processo total, ou seja, 91 minutos (1 hora e

31 minutos). Para o corte automatizado os tempos de processo são apresentados na Tabela 6.5. Pode

ser observado de imediato que o número de etapas do processo também diminuiu.

Tabela 6.5. Tempos de processo para o corte do Top Cover e Hatches depois da automatização.

Etapas Tempo

(min)

Posicionar peça 0:05:00

Buscas da peça (corte longitudinal 1) 0:03:30

Corte 0:03:30

Buscas da peça (corte longitudinal 2) 0:03:30

Corte 0:03:30

Buscas da peça (separação top/hatches) 0:03:30

Corte 0:01:20

Buscas da peça (separação das hatches) 0:01:30

Corte 0:03:05

Movimentações (do robô) 0:01:35

Depois da implementação do corte automatizado, o tempo total do processo que resulta da soma

dos tempos de cada etapa é de 30 minutos.

Comparando os tempos da Tabela 6.5 com a dos da Tabela 6.4, pode-se constatar que existe um

posicionamento a efectuar, independentemente do corte ser manual ou automático. Este

posicionamento é essencial para o processo que vem a seguir ao corte, não correspondendo a uma

necessidade implícita do próprio processo de corte.

97

Este é o corte em que os ganhos de tempo de processo são mais notáveis. Do ponto de vista do

fluxo produtivo normal, antes da automatização existia um tempo de espera para o processo poder

prosseguir, o que não se verifica após a automatização.

6.1.1.3 Corte da Virola de Acesso à Torre

Os tempos de processo para o corte da Virola de Acesso à Torre estão registados na Tabela 6.6.

Nesta tabela estão indicados os tempos dos cortes iniciais que não requerem qualquer tipo de rigor, os

tempos de correcção dos pontos iniciais e finais de cada semicírculo (lembra-se que, apesar de ser uma

circunferência, o corte era dividido em dois semicírculos) e finalmente os tempos de corte para cada

trajecto. O tempo de corte do primeiro semicírculo é a soma dos dois primeiros tempos de corte

apresentados na Tabela 6.6 e o tempo de corte do segundo semicírculo é a soma dos dois últimos. As

paragens no meio do corte de cada meio círculo são necessárias para que o operador possa corrigir o

ponto final do corte. Uma vez corrigido o corte pode continuar normalmente.

Tabela 6.6. Tempos de processo para o corte da Virola de Acesso à Torre antes da automatização.

Etapas Tempo

(min)

Cortes iniciais (não requerem rigor) 0:03:30

Correcção do ponto inicial (1º meio círculo) 0:02:00

Corte 0:02:00

Correcção do ponto final (1º meio círculo) 0:02:30

Corte 0:01:30

Correcção do ponto inicial (2º meio círculo) 0:02:00

Corte 0:02:00

Correcção do ponto final (2º meio círculo) 0:02:30

Corte 0:01:30

Movimentações (do robô) 0:05:30

A partir da Tabela 6.6 é possível obter o tempo total de processo, ou seja, 25 minutos.

No caso do corte automatizado, os tempos de processo estão apresentados na Tabela 6.7.

98

Tabela 6.7. Tempos de processo para o corte da Virola de Acesso à Torre depois da automatização.

Etapas Tempo

(min)

Cortes iniciais (não requerem rigor) 0:02:30

Correcção do ponto inicial (1º meio círculo) 0:01:00

Corte 0:01:00

Correcção do ponto final (1º meio círculo) 0:01:15

Corte 0:00:30

Correcção do ponto inicial (2º meio círculo) 0:01:00

Corte 0:01:00

Correcção do ponto final (2º meio círculo) 0:01:15

Corte 0:00:30

Movimentações (do robô) 0:05:00

É facilmente visível que todas as etapas que existiam anteriormente continuam a ser efectuadas, a

diferença é que são efectuadas num menor período de tempo. Na situação da célula automatizada o

tempo do processo reduz-se para 15 min.

A nível energético 6.1.2

O consumo energético de uma máquina depende principalmente do seu período de

funcionamento. Assim, o principal objectivo do trabalho neste contexto foi obter as diferenças em

termos de consumos ente a execução do processo antes e o depois da automatização do corte. Para o

efeito foi instalado um analisador de redes no quadro de alimentação do robô.

Para este estudo, considerou-se a carga como equilibrada, o que é uma boa aproximação para os

equipamentos em análise. Tendo em conta que a carga mais significativa é a máquina de corte,

considerou-se apenas esta para monitorizar os consumos energéticos do processo antes e depois da

automatização do corte.

A contabilização de toda a energia consumida podia ser obtida com a instalação de um analisador

de redes para todo o processo. Esta opção consome muito tempo de instalação e registo e não era

prática devido à indisponibilidade dos equipamentos e das máquinas que tiveram que se manter em

operação, com a responsabilidade associada à manutenção sem interrupções do processo produtivo.

Desta forma, uma maneira rápida de registar a energia consumida para todo o processo, pode ser

realizada recorrendo à análise da energia consumida para um corte com um determinado comprimento.

A partir desta informação, e devido ao facto dos cortes serem realizados sempre com os mesmos

parâmetros, apenas é necessário realizar um estudo em que é considerado o comprimento total

incluindo todos os cortes.

99

Inicialmente foram realizados dois cortes com um comprimento igual e de 1 m cada. O primeiro

foi realizado com a velocidade que estava implementada anterior à automatização da célula (30 mm/s)

e o segundo com a velocidade implementada no processo automatizado (58 mm/s).

Durante o processo de corte, esteve instalado um analisador Fluke 345 CLAMP METER no

circuito de alimentação da máquina, tal como ilustra a Fig. 6.1.

Fig. 6.1. Analisador instalado no quadro [1].

O resultado obtido a partir do analisador relativamente ao período temporal para o corte de 1 m, a

uma velocidade de 30 mm/s, é igual a 37 segundos. O valor da energia activa consumida neste período

é de 484 Wh.

Para o caso do corte com comprimento igual a 1 m, a uma velocidade de deslocamento igual a

58 mm/s, obtém-se um tempo de corte igual a 20 s e um valor de energia activa consumida igual a

250 Wh.

Recorrendo aos modelos de todas as peças envolvidas no processo disponibilizados pela empresa,

o comprimento total para todos os cortes realizados é igual a 61302 mm.

Assim, nos casos dos cortes anteriores à automatização, efectuou-se um cálculo simples

estabelecendo uma relação directa entre a energia consumida para um corte de 1 m e para o

comprimento total a cortar, pode-se afirmar que para executar todos os cortes a energia consumida é

igual a 29,67 kWh. Para a situação do corte depois de automatizado o processo, o valor da energia

activa consumida é menor, ou seja, 15,33 kWh. Isto significa uma redução percentual de 48% obtida

na sequência do trabalho desenvolvido.

Esta redução de consumo é muito significativa, já que se está a falar de uma redução para

sensivelmente metade da energia que era consumida anteriormente. A principal razão para esta

redução deve-se ao facto de se ter aumentado o valor da velocidade de corte para quase o dobro da

anterior. Esta é a quantificação de energia para o corte completo de uma peça. Sendo executados dois

cortes por dia resulta numa diminuição muito significativa na factura mensal.

101

Referências

[1] Impresso com a permissão da Martifer.

[2] Adaptado, impresso com a permissão da Martifer.

[3] Cristina C. Santos, “Robótica na Construção – Uma Aplicação Prática”, tese de mestrado, 2002,

página Web, http://repositorio.ipcb.pt/bitstream/10400.11/371/1/tese_final_cc.pdf, acedido a última

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[4] “Historial da Martifer”, página Web, http://www.martifer.com/Group/PT/AboutUs.html, acedido a

ultima vez em 10 de Fevereiro de 2011.

[5] “Torre eólica”, página Web, http://current.com/groups/top-news-italy/88979725_energia-eolica-si-

pu-fare-i-dati-2007.htm, acedido a ultima vez em 17 de Julho de 2011.

[6] “Metalomecânica”, página Web, http://pt.wikipedia.org/wiki/Metalomec%C3%A2nica, acedido a

última vez em 10 de Fevereiro de 2011.

[7] “Metalomecânica”, página Web, http://www.sistrade.pt/pt/Mercados/industria-

metalomecanica.htm, acedido a última vez em 10 de Fevereiro de 2011.

[8] “Oxicorte”, página Web, http://pt.esab.net/pt/pt/education/procesos-oxicorte.cfm, acedido a última

vez em 1 de Junho de 2011.

[9] “Decapagem”, página Web, http://pt.wikipedia.org/wiki/Decapagem, acedido a última vez em 11

de Fevereiro de 2011.

[10] Joana Espicho, Horácio Cardoso, “Processo de Decapagem Química em Ligas Ferrosas”,

trabalho de Licenciatura em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, 2005, página Web,

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[11] “Metalização”, página Web, http://www.infopedia.pt/$metalizacao, acedido a última vez em 11

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[12] “Robótica”, página Web, http://pt.wikipedia.org/wiki/Rob%C3%B4, acedido a última vez em 21

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[13] “Robô humanóide””, página Web, http://pt.wikipedia.org/wiki/Rob%C3%B4_humanoide,

acedido a última vez em 21 de Fevereiro de 2011.

[14] “Robô humanóide”, página Web,

http://atuleirus.weblog.com.pt/arquivo/2005/12/robo_humanoide, acedido a última vez em 21 de

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[15] “AGV”, página Web, http://www.fmcsgvs.com/content/sales/manufacturing.htm, acedido a

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102

[16] “Definição de robô manipulador traduzido segundo a RIA”, página Web,

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[17] “Robô industrial”, página Web, http://www.fanucrobotics.com/file-

repository/DataSheets/Robots/Arc-Welding-Solution-Arm.pdf, acedido a última vez em 22 de

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[25] Vítor M. F. Santos, “Robótica Industrial – Sebenta”, 2003, página Web,

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[26] António Ferrolho, “Robótica Industrial – Cap1”, slides ESTV, 2009.

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103

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[33] Nuno Ferreira, “Robótica”, slides ISEC, 2010.

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[38] António Ferrolho, “Robótica Industrial – Cap3”, slides ESTV, 2009.

[39] Rui Cancela, “Extensão e flexibilização da interface de controlo de um manipulador robótico

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[41] Motofil Robotics, “Programação de Robótica”, acção de formação, 2011.

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[43] “Plasma”, página Web, http://www.cimm.com.br/portal/noticia/exibir_noticia/2896-entenda-o-

processo-de-corte-de-metais-por-plasma, acedido a última vez em 26 de Junho de 2011.

[44] “Plasma”, página Web, http://pt.scribd.com/doc/3970065/Aula-64-Corte-plasma, p.2,acedido a

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[45] “Tocha de corte plasma”, página Web, http://www.esabservice.com/cutting/en/support/error-

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[46] “Interior de uma tocha de corte plasma”, página Web,

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[49] “Catálogo máquina ESP 150 Plasmarc ”, página Web,

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[50] “Máquina CNC de corte plasma”, página Web, http://www.esab-

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[51] “Corte plasma”, página Web, http://pt.scribd.com/doc/39668857/Apresentacao-Corte-Plasma,

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[52] “Colunas rotativas fixas”, página Web,

http://www.grupomotofil.com/novorobotics/pdf/colunas%20rotativas_fixas_PT.pdf, acedido a última

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[53] “Posicionadores tipo torno”, página Web,

http://www.grupomotofil.com/novorobotics/pdf/posicionadores_tipo_torno_PT.pdf, acedido a última

vez em 11 de Março de 2011.

[54] “Controlo de altura de tocha”, página Web,

http://www.centricut.com/ArticlesBrazil/FEA_THCforPlasmaCuttingPor.pdf, acedido a última vez em

20 de Julho de 2011.

[55] “Sistema de controlo de altura de tocha – THC ArcGlide”, página Web,

http://www.hypertherm.com/pt/Products/Controls_for_Automation/Torch_Height_Controls/arcGlide.j

sp, acedido a última vez em 20 de Julho de 2011.

[56] ESAB, ESP-150 Sistema de corte plasma – Manual de Instruções.

[57] ESAB, ESP-150 Sistema Cortador Plasma – Manual de Instruções.

[58] FANUC Robotics Europa, Inc, FANUC Robot series CONTROLADOR R-30iA PARA

EUROPA MANUAL DE MANTENIMIENTO, 2007.

[59] FANUC Robotics America, Inc, FANUC Robotics SYSTEM R-J3iC ArcTool Setup and

Operations Manual, 2006.

[60] FANUC Robotics America, Inc, FANUC Robot series R-J3iC HANDLING TOOL

OPERATOR’S MANUAL, 2001.

105

[61] FANUC Robotics America, Inc, FANUC Robot series FOR EUROPE R-J3iC CONTROLLER

MAINTENANCE MANUAL, 2001.

[62] FANUC Robotics America, Inc, FANUC Robot ARC Mate 100iC MECHANICAL UNIT

OPERATOR’S MANUAL, 2006.

[63] “BUM”, página Web, http://www.hsb-electronics.de/BUMe.pdf, acedido a última vez em 7 de

Setembro de 2011.

[64] “Filtro”, página Web,

http://onlineshop.murrelektronik.com/mediandoweb/index.php?encrypt=0&ID_O_TREE_GROUP=1

&sLanguage=English&ID_O_PRODUCT=15689&sTemplateFile=pdf_templates.php&sTemplate=pr

oduct&bPDF=y, acedido a última vez em 8 de Setembro de 2011

107

Anexo 1

Fase de testes de corte e detecção de peça (touch sensing)

109

A1 Fase de Testes

A fase de testes corresponde a um conjunto de procedimentos que têm por objectivo a avaliação

das melhores condições em que pode ser efectuada determinada acção, com vista à obtenção de um

bom resultado final.

As características de corte são fundamentais para um resultado final óptimo, ou seja, este tipo de

ferramenta, aplicada num robô, tem algumas variáveis que necessitam de ser estudadas. Apesar de o

objectivo principal ser o corte de determinadas peças, existem outros factores que também são

importantes, sem os quais não seria possível chegar à fase do corte. Referimo-nos, naturalmente, aos

diversos tipos de buscas que podem existir e que foram testadas.

No final de todos estes testes, efectuou-se uma análise a uma função específica para aplicar no

projecto final, supondo-se ser essa a melhor opção para o presente projecto.

Todos estes testes são explicados e explorados mais aprofundadamente nos subcapítulos

seguintes.

A1.1 Testes de corte a plasma robotizado

Os testes de corte plasma têm como objectivo avaliar um conjunto de variáveis que influenciam o

resultado final do corte, com vista à obtenção de um corte perfeito e limpo. As variáveis que

influenciam a qualidade e limpeza do corte são: a aproximação/afastamento da tocha à chapa,

inclinação da tocha, velocidade de corte, espessura da chapa, tempo de activação do plasma e tipo de

terminação dos pontos (CNT ou FINE).

Algumas das variáveis descritas anteriormente são fundamentais, por exemplo, para a

durabilidade dos consumíveis da tocha de corte plasma. Um corte em que a tocha não fique na

perpendicular com a chapa, ou em que o material não seja removido de uma forma eficaz, pode causar

danos nos consumíveis, levando estes a ter um tempo de vida útil mais reduzido.

Uma vez que o corte plasma já estava a ser utilizado anteriormente à realização do presente

trabalho, foi realizado um levantamento do valor das variáveis que estavam a ser usadas, a partir das

quais se iniciaram novos testes. Assim, o robô estava a cortar com a posição da tocha perpendicular à

chapa de corte, a proximidade da tocha com a chapa variava dependendo do corte, a velocidade de

corte estava igual a 30 mm/s, a espessura da chapa era constante e igual a 5 mm, o tempo de activação

igual a 3 segundos e o tipo de terminação variava dependendo do corte que era efectuado.

110

Os testes de corte plasma efectuados com o robô foram divididos em vários tipos, podendo ser

realizados dos seguintes modos: em linhas rectas, em linhas rectas por troços, através de offsets e por

fim em movimentos circulares (circunferências).

Seguidamente irão apresentar-se resultados dos testes do corte para cada modo em que os

mesmos foram realizados.

A1.1.1 Testes de corte em linhas rectas

Os testes de corte plasma em linhas rectas são fundamentais para avaliar o rigor dos pontos de

iniciação, a largura e a limpeza de corte (entende-se por limpeza, o corte ficar sem qualquer tipo de

resíduo resultante do material fundido pelo plasma). Com os objectivos traçados, foi necessário

efectuar testes de corte, variando os valores dos parâmetros associados ao corte e que influenciam as

suas características.

Todos os testes de corte foram efectuados através de um programa de corte simples, elaborado na

consola do robô. Neste programa foram definidos dois pontos, um de início e outro de fim de corte

(P[1] e P[2]), a activação e desactivação da máquina de corte através da instrução DO e uma instrução

de espera de tempo (WAIT). Considere-se o exemplo de programa:

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

DO[11027] = ON ;É activada a saída digital 11027;

WAIT 2.00 (sec) ;É efectuada uma espera de 2 s;

L P[2] 30mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 2;

DO[11027] = OFF ;É desactivada a saída digital 11027;

Os conjuntos de valores dos parâmetros relativos aos doze testes efectuados são apresentados na

Tabela A1.1.

111

Tabela A1.1. Valores dos parâmetros para doze testes de corte.

Teste

n.º

Chapa Tempo de

espera Velocidade Aproximação Posição Terminação

(mm) (s) (mm/s) (cm) (Perpendicular/não

perpendicular) (CNT/FINE)

1 5 1 20 0,5 Não perpendicular FINE

2 5 2 30 0,5 Não perpendicular FINE

3 5 3 30 0,5 Não perpendicular FINE

4 5 2,5 50 0,1 Perpendicular FINE

5 5 2,3 40 0,1 Perpendicular FINE

6 5 2,3 40 0,1 Perpendicular FINE

7 5 2,3 25 0,5 Perpendicular FINE

8 5 2 25 0,1 Perpendicular FINE

9 5 2,3 40 0,1 Perpendicular FINE

10 5 2,3 30 0,1 Perpendicular FINE

11 5 2,3 50 0,1 Perpendicular FINE

12 5 2,3 45 0,1 Perpendicular FINE

A numeração dos testes está associada à numeração dos cortes nas figuras que serão apresentadas

a seguir.

Embora existam testes que contenham valores exactamente iguais dos parâmetros, o objectivo

consistia em repetir o corte para esclarecer eventuais dúvidas que pudessem existir em relação ao corte

anterior, com os mesmos valores dos parâmetros.

Como é possível verificar entre as variáveis da Tabela A1.1, uma vez que a espessura da chapa é

constante, o parâmetro que está directamente relacionado com o início de corte é o tempo de espera. O

tempo de espera é uma contagem temporal com o objectivo de compensar o atraso que existe desde a

activação da máquina de corte até que a tocha possa começar efectivamente a cortar. Este tempo tem

de ser ajustado para que o início do corte não fique com uma largura maior nem menor do que o

restante. Um tempo de espera elevado faz com que o início de corte fique mais largo em relação ao

restante porque o robô mantém a tocha a cortar por instantes no mesmo local. Por outro lado, um

tempo de espera muito pequeno faz com que o corte seja iniciado mais à frente do que seria esperado,

devido ao tempo de espera ser menor do que o delay desde a activação da máquina até a tocha

começar efectivamente a cortar.

A Fig. A1.1 apresenta com marcações vermelhas os efeitos do início de corte para três valores de

tempos de espera diferentes. Os números na imagem têm correspondência directa com o número do

teste na Tabela A1.1.

112

Fig. A1.1. Exemplo do início de corte.

A Fig. A1.1 permite confirmar o que foi relatado anteriormente sobre as consequências em ter

tempos de espera pequenos ou grandes para iniciar o corte. No caso dos testes 1 e 2, nota-se que o

início do corte não tem a mesma largura que o restante, o que significa que o tempo de espera foi

demasiadamente pequeno. Quanto ao teste 3, este possui um início de corte mais aproximado da

largura do restante corte, embora apresente uma largura um pouco acima. Deste modo, foi necessário

decidir relativamente ao tempo ideal, entre os cortes 2 e 3, ou seja, entre 2 e 3 segundos. Com a

execução de novos cortes obteve-se experimentalmente um tempo de 2,3 segundos, como o mais

adequado para obter uma uniformidade no corte do princípio ao fim. A Fig. A1.2 ilustra os cortes 9,

10, 11 e 12, a partir dos quais é possível constatar que o tempo de espera de 2,3 segundos é o

adequado para um corte com largura constante.

Fig. A1.2. Comparação de vários cortes com o mesmo tempo de espera inicial.

A largura do corte está directamente relacionada com a velocidade de corte e com a

aproximação/afastamento da tocha à chapa. Uma velocidade mais elevada resulta num corte com uma

largura menor devido à rapidez com que passa a tocha, ocasionando pouca remoção de material. No

caso oposto, de baixa velocidade, a tocha demora mais a percorrer o mesmo trajecto que no caso

113

anterior, permanecendo mais tempo na mesma região, logo, a remoção do material é maior e a largura

do corte também.

Para uma melhor percepção do efeito da variação da velocidade na largura de corte, apresenta-se

na Fig. A1.3 as imagens parciais de quatro cortes. Na Fig. A1.3 (a) são ilustrados os cortes 9, 10, 11 e

12 na superfície da chapa do lado da tocha de corte, enquanto na Fig. A1.3 (b) estão ilustrados os

mesmos cortes mas na superfície oposta à qual é executado o corte.

(a) (b)

Fig. A1.3. Exemplos de cortes: (a) Superfície frontal de corte, (b) Superfície oposta ao corte.

Como pode ser observado, principalmente na Fig. A1.3 (b), que apresenta a superfície oposta à

qual passa a tocha, a largura de corte diminui quando se passa de um corte a uma velocidade de 40

mm/s ou 30 mm/s dos cortes 9 e 10 respectivamente, para os cortes 11 e 12 que têm velocidades de 50

mm/s e 45 mm/s respectivamente.

A velocidade de corte influencia o processo de corte em termos de largura e “limpeza” de corte.

Quanto maior for a velocidade mais estreito fica o corte. No entanto, se a sua largura for demasiado

pequena, qualquer afastamento da tocha à chapa pode fazer com que o corte não seja consumado na

totalidade. Normalmente, a limpeza fica satisfatória com uma velocidade elevada, tal qual mostra o

corte 11 e 12 da Fig. A1.3 (b).

Paralelamente à velocidade, a aproximação/afastamento da tocha à chapa também tem influência

no corte. Um afastamento da tocha à chapa faz com que a zona afectada pelo plasma seja maior, logo a

largura do corte também vai ser maior.

Relativamente à limpeza do corte, a velocidade e a posição da tocha são determinantes para um

corte limpo, sem resíduos significativos nas duas superfícies da chapa cortada.

Na Fig. A1.3 (b) foi possível verificar que, a velocidades mais baixas, a limpeza do corte é menor

do que a velocidades mais altas. Também na Fig. A1.4 onde estão ilustrados os cortes 5, 6, 7 e 8 da

superfície oposta ao corte, realizados também com a tocha na posição perpendicular, comprovam que

os cortes 5 e 6, executados a uma velocidade de 40 mm/s têm um grau de limpeza superior aos cortes

7 e 8 realizados à velocidade de 25 mm/s.

114

Fig. A1.4. Resultado de limpeza dos cortes 5, 6, 7 e 8.

A posição da tocha relativamente à superfície de corte é fundamental para a limpeza do corte,

pelo facto de, na perpendicular, o plasma a sair da tocha ter uma capacidade de remoção de material

fundido muito maior do que com um qualquer outro grau de inclinação. A inclinação apenas deve ser

usada em último recurso quando, por razões da geometria da peça, for necessário obter um corte na

diagonal.

Na Fig. A1.5, os cortes 1, 2 e 3 não foram realizados com a tocha na perpendicular e notam-se

alguns resíduos que, em figura de qualidade, são significativos.

Fig. A1.5. Resultado de limpeza do corte 1, 2, 3 e 4.

Depois de efectuada a descrição relativa aos factores que influenciam um corte em linha recta,

torna-se necessário seleccionar o valor definitivo para cada parâmetro.

A selecção de um corte tem de partir de uma análise do corte desejado e o valor das variáveis que

interferem com o mesmo. Assim, depois de analisados todos os cortes, o que apresentou uma melhor

qualidade, considerados a velocidade, a limpeza, a aproximação à chapa, o tempo de espera e a largura

de corte, foi o corte 10.

115

As imagens da Fig. A1.6 (a) e Fig. A1.6 (b) mostram a vista do corte seleccionado para aplicação

do valor dos parâmetros no processo de corte das peças do produto fabricado.

(a) (b)

Fig. A1.6. Vista do corte 10: (a) Superfície frontal, (b) Superfície oposta.

Apesar de conter alguns resíduos depois do corte, este corte é o adequado pela sua largura. A

limpeza também é um aspecto importante, mas como a superfície tem de ser rebarbada, a totalidade

dos resíduos será removida posteriormente. Existiram cortes de teste com uma limpeza muito superior

como o caso dos cortes 11 e 12 da Fig. A1.3 (b) mas, quanto à largura, estes eram demasiadamente

estreitos e um pequeno afastamento da tocha à chapa podia levar a que alguma zona permanecesse por

cortar.

Este corte é o ideal na situação de a chapa estar na horizontal e, muito em particular, a chapa não

ser calandrada. O facto de ser executado um corte numa chapa calandrada, pode exigir que alguns dos

parâmetros tenham de ser alteradas. O principal parâmetro será a proximidade da tocha à chapa, que

apenas pode ser a indicada caso exista um equipamento capaz de a afastar, ou aproximar, dependendo

do possível empeno da chapa.

A1.1.2 Testes de corte em linhas rectas por troços

A situação dos testes para estes cortes é análoga aos cortes em linhas rectas definidas por dois

pontos. Neste caso os cortes são realizados com três pontos: um ponto de início, um ponto intermédio

e um ponto final. Os testes de corte em linhas rectas por troços tiveram o objectivo de avaliar a

qualidade do corte, obtido nos locais onde foram marcados os pontos intermédios, uma vez que os

cortes finais nas peças em produção iriam ter muitos pontos deste tipo.

A razão da realização destes testes prende-se com o excesso de material que era removido

durante o processo de corte na região dos pontos intermédios, devido a uma microparagem do robô

quando atinge um ponto intermédio durante o trajecto definido.

Para a realização de todos os testes deste tipo foi utilizado um código com três pontos (P[1], P[2]

e P[3]), a instrução DO para activação e desactivação da máquina de corte e uma instrução de espera

(WAIT) como é apresentado a seguir. Existem algumas variações entre testes que serão apresentadas à

medida que forem descritos os respectivos testes.

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

DO[11027] = ON ;É activada a saída digital 11027;

116

WAIT 2.30 (sec) ;É efectuada uma espera de 2.3 s;

L P[2] 30mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 2;

L P[3] 30mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 3;

DO[11027] = OFF ;É desactivada a saída digital 11027;

Para conseguir concluir sobre os aspectos relacionados com este tipo de corte, apenas foi

necessário efectuar quatro cortes. O primeiro teste foi executado com um ponto intermédio definido

como FINE, a partir do qual foi possível observar que, na região onde tinha sido marcado o ponto

intermédio, existe um corte irregular quando comparado com o restante corte. Esta irregularidade

deve-se a uma microparagem que leva a um excesso de material fundido removido. A Fig. A1.7

apresenta o corte 1 onde é possível ver a imperfeição do corte na zona onde é marcado o ponto

intermédio (identificado com um círculo vermelho).

(a) (b)

Fig. A1.7. Vista do corte 1 com ponto intermédio: (a) Superfície frontal, (b) Superfície oposta.

Na Fig. A1.7 (a) já era possível observar a imperfeição, no entanto, no lado oposto da chapa onde

foi realizado o corte, a imperfeição é ainda mais evidente. A Fig. A1.7 (b) mostra o excesso de

material removido na superfície da chapa oposta ao corte.

Como foi possível constatar com este primeiro teste de corte, a marcação de pontos intermédios,

se for realizada do tipo FINE, faz com que o corte resulte irregular. Assim, foi necessário optar por

outra solução, substituindo-se a instrução de terminação FINE pela instrução de terminação CNT, que

presume a existência de um movimento contínuo.

Partiu-se então para um teste deste tipo em que o movimento contínuo tem de ser definido com

um valor entre 0 e 100. O valor 100 corresponde ao movimento mais distante do ponto de destino sem

o mínimo de desaceleração ao atingir esse ponto, enquanto que, à medida que este valor vai

decrescendo vai existindo desaceleração à medida que o robô se aproxima do ponto de destino. A

Fig. A1.8 ilustra a definição do efeito da instrução CNT.

117

Fig. A1.8. Definição da movimentação do robô com a instrução CNT [59] (p.8-45).

Esta solução é eficaz para os cortes em linha recta, tal como irá acontecer no corte de algumas

peças finais. No entanto, em movimentos circulares, originará alguns problemas que serão examinados

na secção A1.1.3. O código usado para o teste 2 foi similar ao anterior, apenas o ponto intermédio é

definido com um tipo de terminação igual a CNT10, sendo anteriormente FINE. Pelo facto do valor do

CNT ser muito baixo (10), o robô tinha que efectuar uma desaceleração muito grande, o que levaria a

uma situação similar à anterior, ou seja, uma microparagem na zona do ponto intermédio que depois

resultava num corte imperfeito nessa zona, devido ao excesso de material removido.

A Fig. A1.9 evidencia com um círculo vermelho a imperfeição no ponto intermédio depois de

realizado o corte.

Fig. A1.9. Imperfeição no corte 2 na região do ponto intermédio.

O passo seguinte foi realizar um teste de corte com CNT igual a 50 e adicionar uma instrução

PTH que tem por objectivo aumentar a aceleração entre posições, levando o robô a reduzir o tempo

para executar parte do programa. Com estas instruções a definição do ponto intermédio fica do tipo:

L P[2] 30mm/s CNT50 PTH

118

Depois de realizado o corte com o ponto intermédio com uma configuração igual à anterior,

obtém-se o resultado ilustrado na Fig. A1.10. As setas vermelhas indicam a zona onde estava marcado

o ponto intermédio.

(a) (b)

Fig. A1.10. Vista do corte 3 por troços com ponto intermédio: (a) Superfície frontal, (b) Superfície

oposta.

Como pode ser visualizado na Fig. A1.10 (a), o corte visto a partir da superfície frontal (lado em

que foi realizado o corte), é perceptível que não existe nenhuma irregularidade na região do ponto

intermédio. Também na superfície oposta (Fig. A1.10 (b)) o corte é uniforme, não apresentando

demasiada remoção de material.

Como a Fig. A1.10 comprova, este corte é irrepreensível e adequado ao pretendido, excepto na

limpeza. Caracteriza-se por ser um corte uniforme, ou seja, sem qualquer excesso de largura na região

de pontos intermédios. Ainda assim, para esclarecer uma outra possibilidade que surgiu, decidiu fazer-

se um teste de corte onde o ponto intermédio era definido como FINE, mas seguido da instrução PTH,

ou seja, o corte era definido como:

L P[2] 30mm/s FINE PTH

O resultado desse corte foi o que está apresentado na Fig. A1.11.

(a) (b)

Fig. A1.11. Vista do corte 4 por troços com ponto intermédio: (a) Superfície frontal, (b) Superfície

oposta.

Como pode ser observado na Fig. A1.11, usando a instrução FINE seguida da instrução PTH o

resultado do corte não melhora em nada relativamente ao teste anterior, muito pelo contrário: o ponto

intermédio é perfeitamente identificável, quer na vista frontal quer, sobretudo, na vista oposta.

119

Como conclusão, para o corte em linha rectas por troços, o corte que utiliza na programação a

instrução CNT50 seguida de PTH e aproximação de 0,1 mm (o mais aproximado possível) é o mais

indicado. Deste modo, o corte da Fig. A1.10 foi o seleccionado para aplicar no corte final das peças.

A1.1.3 Testes de corte em arcos de circunferência

Os parâmetros fundamentais para o corte foram avaliados e descritos na secção A1.1.1. No

entanto, como existem alguns cortes constituídos por troços circulares, é necessário efectuar alguns

testes deste tipo de cortes, uma vez que será necessária a sua aplicação no corte das peças finais.

O código utilizado tem um ponto de início (P[1]), a instrução DO para activação e desactivação

da máquina de corte e dois pontos definidos com movimento circular (P[2] e P[3]). O código referido

está escrito a seguir:

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

DO[11027] = ON ;É activada a saída digital 11027;

WAIT 2.30 (sec) ;É efectuada uma espera de 2.3 s;

C P[2] ;O robô move-se circularmente para o ponto 2;

C P[3] 30mm/s FINE ;O robô move-se circularmente para o ponto 3;

DO[11027] = OFF ;É desactivada a saída digital 11027;

O resultado do primeiro teste é ilustrado na Fig. A1.12. É possível observar um corte circular

executado com um conjunto de três pontos assinalados com pontos brancos na imagem, todos

definidos com terminação FINE. Ao contrário do que se esperaria, e tendo como base os cortes

efectuados em linhas rectas por troços que tinham um resultado melhor com a instrução CNT, neste

caso, consegue-se obter dos movimentos circulares definidos com terminação FINE um corte de muito

boa qualidade.

Fig. A1.12. Teste de corte circular com pontos FINE.

Depois do primeiro teste, foi realizado um outro com o mesmo número de pontos, mas agora dois

deles foram definidos com um tipo de terminação CNT50 PTH. Os pontos que definiam o movimento

circular são aqueles que estão marcados a branco na Fig. A1.13.

120

Fig. A1.13. Teste de corte circular com pontos CNT.

Este corte apresentou um desvio relativamente aos pontos previamente marcados. Na imagem do

corte obtido (Fig. A1.13), os pontos a branco correspondiam à marcação, não se verificando a

passagem por eles durante o corte tendo, por essa razão ficado à vista.

O facto de o robô não ter passado pelos pontos é explicável, uma vez que usando a instrução CNT

o robô acelera o movimento devido ao valor do CNT ser 50. Quanto maior for o valor do CNT, com

limite de 100, maior será a aceleração e mais distante do ponto marcado passaria o corte. Para o caso

do CNT apresentar um valor muito pequeno, o que iria acontecer era uma aceleração muito pequena,

que manteria o robô mais tempo na mesma zona, o que teria como consequência uma maior largura do

corte, devido ao excesso de remoção de material. Quanto mais próximo de 0 o valor de CNT, mais

próximo do ponto FINE se chega em termos de resultado do corte. Isto permite que se use a instrução

PTH para acelerar o movimento e execução do programa ao contrário da instrução FINE.

Em conclusão, para os cortes circulares a solução encontrada foi a definição de pontos com

terminação do tipo FINE. Se assim não for, pode levar o robô a não passar pelos pontos desejados

devido à explicação anterior sobre a aceleração entre movimentos com terminação CNT.

A1.2 Testes de corte a plasma robotizado com offsets

A realização de testes de offsets tem a finalidade de estudar as suas funcionalidades e ao mesmo

tempo averiguar o rigor que estes apresentam para o caso de ser necessária a sua aplicação nos cortes

das peças finais.

Pelo facto de existirem eixos externos ao robô, é possível executar offsets apenas com o robô, ou

com os eixos externos. Existe ainda a possibilidade de efectuar a reorientação do robô em função dos

eixos externos, embora esta função não seja previsível de ser aplicada neste trabalho. Para a aplicação

do corte em questão, apenas são necessários offsets unicamente do robô ou dos eixos externos.

A1.2.1 Apenas com o robô

Este género de testes realizados podem ser divididos basicamente em dois tipos, ou seja, os

offsets podem ser realizados na direcção dos três eixos do sistema de coordenadas absolutas, ou ainda

possibilita a reorientação do punho em função das três juntas que o constituem.

121

Assim, para efectuar os testes é necessário definir o eixo em que se pretende fazer o offset que,

para o caso de ser apenas o robô, o número a incluir deve ser de 1 até 6. Os números 1, 2 e 3

correspondem ao eixo do x, y e z, respectivamente, enquanto o 4, 5 e 6 dizem respeito à reorientação

do punho em função da junta 4, 5 ou 6, mediante determinado valor de ângulo dado no offset.

Os testes de corte efectuados com o robô tiveram como origem o seguinte código:

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

DO[11027] = ON ;É activada a saída digital 11027;

WAIT 2.30 (sec) ;É efectuada uma espera de 2.3 s;

L P[2] 30mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 2;

DO[11027] = OFF ;É desactivada a saída digital 11027;

PR[10] = P[2] ;É atribuída a posição P[2] à posição de registo PR[10];

PR[GP1:10,1] = PR[GP1:10,1]+300 ;É atribuída à posição de registo PR[10] um

deslocamento de 300 mm no eixo de

coordenada número 1 (eixo do x);

L PR[10] 50mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto de registo PR[10];

PR[10] = P[2] ;É atribuída a posição P[2] à posição de registo PR[10];

PR[GP1:10,1] = PR[GP1:10,1]+400 ;É atribuída à posição de registo PR[10] um

deslocamento de 400 mm no eixo de

coordenada número 1 (eixo do x);

DO[11027] = ON ;É activada a saída digital 11027;

WAIT 2.30 (sec) ;É efectuada uma espera de 2.3 s;

L PR[10] 30mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto de registo PR[10];

DO[11027] = OFF ;É desactivada a saída digital 11027;

Este teste tem início com um corte marcado a laranja na Fig. A1.14, que tem origem no P[1] e é

terminado no P[2].

Seguidamente, o ponto de início (P[2]) é atribuído a uma posição de registo do sistema (PR[10]).

A partir desse PR é possível fazer os offsets seleccionando o grupo de trabalho (GP), que para o robô e

para os eixos externos é o grupo 1, o PR em questão que neste caso é o 10, e por fim indicar qual o

eixo em que se pretende fazer o offset, que para este caso seria o eixo do x, logo atribui-se-lhe o

número 1. Seguidamente iguala-se ao próprio ponto, mas somado com o valor pretendido que o offset

tenha, nesta circunstância o valor era de 300 mm.

Depois, o robô movimenta-se para o ponto pretendido, que neste caso é definido por um PR, a

partir do qual deve iniciar o corte. Neste momento o robô tem a referência para o ponto de início de

corte, apenas faltando definir-lhe o ponto final. Para definir o ponto final procede-se da mesma forma

122

que foi explicado o offset anterior, mas desta vez com um valor de 400 mm. O ponto de referência

continua a ser o P[2], a partir do qual são definidos os offsets.

Depois são as instruções rotineiras, a DO, o WAIT e a linha que define o ponto para onde o robô

se deve deslocar, que nesta circunstância varia para um ponto que é definido por um PR.

A imagem do corte que foi realizado pode ser visualizada na Fig. A1.14.

Fig. A1.14. Teste de corte com offset do robô para distâncias médias.

O corte descrito anteriormente e representado na Fig. A1.14 foi registado com sucesso. A

avaliação que foi realizada sobre o rigor dos offsets foi aprovada de tal forma que as cotas assinaladas

na Fig. A1.14 estão iguais às que foram definidas na programação. Deste modo podem ser realizados

offsets no trabalho que não existirão problemas.

Se na situação anterior os offsets ficaram bem definidos depois de executado o corte, para

distâncias mais curtas e cortes mais pequenos é previsível que estes sejam bem-sucedidos. Ainda

assim foi realizado um corte similar ao anterior para confirmar as previsibilidades.

Relativamente ao código, este tem uma sequência exactamente igual ao anterior, apenas sendo

alterados os valores dos offsets. A seguir é apresentado o código que foi utilizado para realizar o corte:

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

DO[11027] = ON ;É activada a saída digital 11027;

WAIT 2.30 (sec) ;É efectuada uma espera de 2.3 s;

L P[2] 30mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 2;

DO[11027] = OFF ;É desactivada a saída digital 11027;

PR[10] = P[2] ;É atribuída a posição P[2] à posição de registo PR[10];

PR[GP1:10,1] = PR[GP1:10,1]+50 ;É atribuída à posição de registo PR[10] um

deslocamento de 50 mm no eixo de

coordenada número 1 (eixo do x);

L PR[10] 50mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto de registo PR[10];

PR[10] = P[2] ;É atribuída a posição P[2] à posição de registo PR[10];

PR[GP1:10,1] = PR[GP1:10,1]+100 ;É atribuída à posição de registo PR[10] um

deslocamento de 100 mm no eixo de

coordenada número 1 (eixo do x);

DO[11027] = ON ;É activada a saída digital 11027;

WAIT 2.30 (sec) ;É efectuada uma espera de 2.3 s;

123

L PR[10] 30mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto de registo PR[10];

DO[11027] = OFF ;É desactivada a saída digital 11027;

O resultado do código e consequentemente do corte pode ser visualizado na Fig. A1.15. O

primeiro corte ladeado pela seta laranja não tem nenhum tipo de offset, é apenas um corte vulgar,

enquanto o espaçamento e o segundo corte já têm um offset.

Fig. A1.15. Primeiro teste de corte com offset do robô para distâncias curtas.

Da mesma forma que o anterior, depois de medidas as cotas vermelhas verificou-se que estas

coincidiam com o valor dos offsets.

Foi realizado outro teste para pequenos comprimentos com o código igual ao anterior mas com o

valor de offset igual a 70 e 80 mm. A Fig. A1.16 mostra o respectivo teste.

Fig. A1.16. Segundo teste de corte com offset do robô para distâncias curtas.

Depois de realizado, verificou-se que as cotas assinaladas a vermelho coincidem exactamente

como as que tinham sido definidas no decorrer da programação.

À semelhança dos offsets para distâncias mais elevadas, também para curtas distâncias os offsets

podem ser executados com seguridade caso exista necessidade.

Em conclusão, e depois de realizados estes offsets com o robô, pode-se afirmar que a sua

utilidade pode ser preciosa para definição de comprimentos de trajectórias, uma vez que são precisos

na definição dos comprimentos estabelecidos na programação.

A1.2.2 Com os eixos externos

A razão para realizar testes de offsets com os eixos externos ao robô tem a ver com a

possibilidade de ser necessário executar offsets deste tipo devido ao volume de trabalho, caso o robô

seja pequeno, em relação a algum corte que seja necessário efectuar.

124

O código é similar ao anterior, acrescentado de duas linhas de código, uma igual à seguinte, e

outra similar:

PR[GP1:10,8] = PR[GP1:10,8]+300

Esta linha de código faz a reorientação do robô em função do movimento de um eixo externo,

pelo facto de estar seleccionado o eixo 8. Os eixos externos são seleccionáveis através dos números 7,

8 e 9. Em conjunto com a linha que fazia o offset unicamente do robô, o movimento que é obtido é o

robô solidário com a coluna, fazendo assim um deslocamento num dos eixos externos.

Para esta situação foi realizado o teste que teve por base o seguinte código:

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

DO[11027] = ON ;É activada a saída digital 11027;

WAIT 2.30 (sec) ;É efectuada uma espera de 2.3 s;

L P[2] 30mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 2;

DO[11027] = OFF ;É desactivada a saída digital 11027;

PR[10] = P[2] ;É atribuída a posição P[2] à posição de registo PR[10];

PR[GP1:10,1] = PR[GP1:10,1]+300 ;É atribuída à posição de registo PR[10] um

deslocamento de 300 mm no eixo de

coordenada número 1 (eixo do x);

PR[GP1:10,8] = PR[GP1:10,8]+300 ;É atribuída à posição de registo PR[10] um

deslocamento de 300 mm no eixo externo

número 8;

L PR[10] 50mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto de registo PR[10];

PR[10] = P[2] ;É atribuída a posição P[2] à posição de registo PR[10];

PR[GP1:10,1] = PR[GP1:10,1]+375 ;É atribuída à posição de registo PR[10] um

deslocamento de 375 mm no eixo de

coordenada número 1 (eixo do x);

PR[GP1:10,8] = PR[GP1:10,8]+375 ;É atribuída à posição de registo PR[10] um

deslocamento de 375 mm no eixo externo

número 8;

DO[11027] = ON ;É activada a saída digital 11027;

WAIT 2.30 (sec) ;É efectuada uma espera de 2.3 s;

L PR[10] 30mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto de registo PR[10];

DO[11027] = OFF ;É desactivada a saída digital 11027;

O corte que foi efectuado está apresentado na Fig. A1.17.

125

Fig. A1.17. Teste de corte com offset dos eixos externos.

A partir deste teste foi possível constatar que tal como nos offsets em que apenas era

movimentado o robô, também os offsets com eixos externos ao robô mantêm a precisão e possibilitam

um corte certo aliado ao movimento dos eixos externos, isto porque os valores dos offsets atribuídos

na programação foram exactamente iguais ao espaçamento que ficou por cortar e ao corte de 75 mm.

A1.3 Touch Sensing

A1.3.1 Definição

A ferramenta de touch sensing está disponível no robô, sendo uma ferramenta fundamental para a

detecção de peças no espaço de trabalho da célula robótica.

É caracterizada pela versatilidade com que se pode adaptar a peças que apresentem alguns

desvios, levando a que, por cada “busca” realizada, por exemplo nas juntas de soldaduras, os pontos de

soldadura posteriores sejam bem definidos e não apresentem desvios indesejáveis. É importante

salientar que esta ferramenta está disponível na máquina de soldadura e não na máquina de corte, daí

ter sido apresentado o exemplo das juntas de soldadura, sendo sempre indispensáveis um mínimo de

dois pontos de duas superfícies diferentes, para obter o ponto de uma junta.

O princípio de funcionamento do touch sensing é baseado na função skip condition, utilizada

anteriormente para desempenhar as mesmas tarefas que actualmente o touch sensing. A evolução

talvez seja devida à maior facilidade que existe em realizar uma busca, embora possam existir também

desvantagens, mais concretamente no número de configurações que podem existir, tendo este robô um

máximo de 32 configurações.

Existem, basicamente, dois terminais que interrompem um circuito, sendo um a ponta do fio de

soldar da tocha, e o outro a massa da máquina de soldar que se encontra ligada à estrutura metálica da

peça, onde se vai desenvolver trabalho. Quando existe contacto entre a ponta do fio e a peça metálica é

fechado um circuito que interrompe o movimento do robô, fazendo-o parar, e guardar as coordenadas

numa posição de memória. Posteriormente, pode ser usada a posição de memória ou tratada a

informação que ela contém sobre as posições das juntas do robô.

Essencialmente, esta é a descrição do conteúdo básico para se poder trabalhar com o touch

sensing, ou seja, um caso de aplicação, uma breve história da evolução e o respectivo modo de

funcionamento.

126

A1.3.2 Definição da Tool Frame

A tool frame, ou ferramenta de trabalho, é essencial, uma vez que o robô tem um sistema de

coordenadas na extremidade do seu punho que depois tem de ser definido para o ponto central da

ferramenta de trabalho que lhe será aplicada.

A definição deste sistema de coordenadas para o TCP é fundamental para eventuais reorientações

do robô que tenham de ser realizadas em função do TCP da ferramenta.

Esta definição da tool frame foi, numa fase experimental, realizada para a tocha de soldadura e,

posteriormente, para a tocha de corte, tendo os procedimentos sido exactamente os mesmos. Assim,

existem três métodos que podem ser usados: o método directo, o método dos três pontos e o método

dos seis pontos.

A escolha recaiu sobre o método dos seis pontos pelo facto de, depois de os mesmos se

encontrarem marcados, o robô efectua internamente a definição do sistema de eixos.

Este método, como o próprio nome indica, consiste na marcação de seis pontos nos campos

Approach point 1, 2 e 3, Orient Origin Point, e, x e z Direction Point como mostra a janela da consola

de programação ilustrada na Fig. A1.18. Através da marcação destes pontos, o robô determina quais os

valores de x, y, z, w, p e r.

Fig. A1.18. Janela de configuração para o método dos seis pontos [59] (adaptado p.21-15).

Para efectuar a configuração através deste método é necessário gravar os três primeiros pontos da

forma que se encontra ilustrada na Fig. A1.19, ou seja, um ponto por cada posição da ferramenta

apresentada.

Fig. A1.19. Gravação dos três primeiros pontos para definição do TCP [59] (p.21-13).

127

Posteriormente, é indispensável colocar todas as juntas do robô na posição de 0º excepto as juntas

5 e 6 que devem posicionar a ferramenta o mais direito possível e então gravar o ponto Orient Origin

Point.

Segue-se a gravação dos dois últimos pontos que consistem em duas deslocações, uma na

direcção de x e outra em z, respectivamente, e consequente gravação dos pontos.

Depois de realizadas estas acções encontra-se definida a ferramenta de trabalho, uma vez que o

robô definiu os valores de x, y, z, w, p e r. A partir deste momento, além de estar definido o sistema de

coordenadas para a ferramenta de trabalho, é possível reorientar o robô em função do TCP da

ferramenta de trabalho.

A1.3.3 Parametrização

A parametrização do touch sensing é bastante simples e intuitiva. Quando utilizada esta

ferramenta, como foi escrito anteriormente, é possível especificar 32 tipos de conjuntos diferentes de

parâmetros, conhecidos também como 32 tipos de touch schedule. Quando no momento de realização

de uma busca, é indicado o número do touch schedule, este tem definido os parâmetros com os quais

irá ser realizada.

Cada tipo de touch schedule é constituído por 17 parâmetros ilustrados na Fig. A1.20.

Fig. A1.20. Parâmetros de configuração do touch sensing – touch schedule 1 [41] (p.53).

Como é óbvio, cada parâmetro tem a respectiva função embora, para o projecto, os parâmetros

que em testes foram utilizados são: search speed, search distance, touch frame, return speed e return

distance. Caracterizando estes conceitos temos:

Search speed: velocidade a que o robô se movimenta para fazer a “busca” de peça;

Search distance: valor de distância máxima a que o robô se pode movimentar para encontrar a

peça;

128

Touch frame: sistema de eixos definido para fazer os movimentos paralelos ou perpendiculares a

um eixo de coordenadas;

Return speed: velocidade a que o robô retrocede depois de encontrar a peça;

Return distance: distância que o robô retrocede, depois de encontrada a peça com limite de

2000 mm embora, se o ponto de busca estiver, por exemplo, a 20 mm de distância, o robô apenas

retrocede no máximo 20 mm, mesmo que esteja definido no parâmetro 2000 mm.

Estes são os parâmetros fundamentais para realização de buscas simples, uma vez que serão a

maioria das buscas a realizar no projecto. Para buscas a 3D, que serão apresentadas mais à frente, o

princípio é o mesmo que o de uma busca bidimensional.

A1.3.4 Testes de buscas

A realização de testes de buscas teve por objectivo o estudo de algumas possibilidades de buscas

que, eventualmente, na reprogramação da célula, pudessem vir a ser utilizadas.

A1.3.4.1 Buscas 2D e 3D de cantos geométricos

O tipo de buscas 2D foi realizado em peças que simulavam os cantos geométricos. Para descrever

o simulado considere-se a Fig. A1.21. Apesar desta figura ser 3D, suponha-se uma busca 2D, aquela

que apenas se realiza em duas direcções, neste caso seria em y e z, uma vez que, o valor da coordenada

x é sempre igual durantes ambas as buscas.

Fig. A1.21. Sólido modelo para exemplificar buscas 2D de cantos geométricos.

O objectivo desta busca era obter o ponto amarelo contido na junta. Para tal, é necessário marcar

um ponto de aproximação, a partir do qual são efectuadas duas buscas, obtendo-se os pontos

P1 (x1,y1,z1) e P2 (x2,y2,z2). A partir destes dois pontos o robô define o ponto contido na junta

representado a amarelo (P3 (x3,y3,z3)).

O código que permite fazer o tipo de busca descrito é:

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

129

Search Start [1] PR[1] ;É activado o início e tipo de busca e indicada a posição de

registo onde vai ser gravada a posição da junta;

L P[1] 10mm/s FINE Search[Y] ;O robô move-se no sentido do eixo y até encontrar a

peça;

L P[1] 10mm/s FINE Search[-Z] ;O robô move-se no sentido do eixo -z até encontrar a

peça;

Search End ;É terminado o processo de busca de peça;

L PR[1] 50mm/s FINE ;O robô move-se para o ponto da junta guardado no PR[1];

O programa anterior é iniciado com uma movimentação para um ponto de aproximação (P[1]), a

partir do qual são iniciadas duas buscas do tipo que está guardado no touch schedule 1. Nesta situação

seria executada uma busca em y e outra em –z, com o resultado a ser guardado numa posição de

registo (PR[1]) para mais tarde o robô se movimentar ao respectivo ponto.

Passando aos cantos geométricos 3D, considere-se a Fig. A1.22.

Fig. A1.22. Sólido modelo para exemplificar buscas 3D de cantos geométricos.

No caso de buscas 3D é necessário realizar mais uma busca do que no caso anterior, para permitir

cruzar a informação de dois pontos de duas juntas diferentes, com vista à obtenção do ponto em que as

duas juntas se interceptam (ponto assinalado a amarelo).

O código a partir do qual é possível obter o respectivo ponto é dado por:

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

Search Start [1] PR[1] ;É activado o início e tipo de busca e, indicada a posição de

registo onde vai ser gravada a posição da junta 1;

L P[1] 10mm/s FINE Search[Y] ;O robô move-se no sentido do eixo y até encontrar a

peça;

L P[1] 10mm/s FINE Search[-Z] ;O robô move-se no sentido do eixo -z até encontrar a

peça;

130

Search End ;É terminado o processo de busca de peça;

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

Search Start [1] PR[2] ;É activado o início e tipo de busca e indicada a posição de

registo onde vai ser gravada a posição da junta 2;

L P[1] 10mm/s FINE Search[-X] ;O robô move-se no sentido do eixo -x até encontrar a

peça;

L P[1] 10mm/s FINE Search[-Z] ;O robô move-se no sentido do eixo -z até encontrar a

peça;

Search End ;É terminado o processo de busca de peça;

PR[GP1:1,1] = PR[GP1:2,1] ;É atribuída a coordena em x da junta 2 à junta 1 para

definir o canto geométrico;

L PR[1] 50mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o canto geométrico;

O código é similar ao anterior, apesar de exigir mais duas buscas. O programa é iniciado com um

ponto de aproximação (P[1]) a partir do qual são iniciadas todas as buscas. Com os dois conjuntos de

buscas são obtidos dois pontos diferentes em duas juntas diferentes. De comum, é que as juntas que

contêm esses pontos interceptam-se. O ponto de intersecção é o ponto desejado, sendo obtido a partir

da atribuição neste caso, da coordenada x do PR[2] ao PR[1]. A partir desse momento está encontrado

o ponto do canto geométrico e o robô pode ser movido até ele.

Relativamente a buscas 2D e 3D de cantos geométricos, através destes dois exemplos, estará

relatado o fundamental das buscas para as situações que poderão surgir no decorrer do trabalho.

A1.3.4.2 Buscas 2D e 3D de arestas

As buscas 2D e 3D de arestas são similares às anteriores, apesar de exigirem algumas

movimentações adicionais no decorrer das buscas.

A busca 2D está apresentada na Fig. A1.23 como sendo muito similar à 2D de canto geométrico.

Fig. A1.23. Sólido modelo para exemplificar buscas 2D de arestas.

131

A única diferença é que têm de haver movimentações no meio do código de busca, fazendo com

que seja possível a ferramenta do robô passar de uma superfície para a outra sem colidir com a peça.

Um exemplo de código que permite fazer este tipo de busca é:

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

Search Start [1] PR[1] ;É activado o início e tipo de busca e indicada a posição de

registo onde vai ser gravada a posição da aresta;

L P[2] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 2;

L P[2] 10mm/s FINE Search[-X] ;O robô move-se no sentido do eixo -x até encontrar a

peça;

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

L P[3] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 3;

L P[3] 10mm/s FINE Search[-Z] ;O robô move-se no sentido do eixo -z até encontrar a

peça;

Search End ;É terminado o processo de busca de peça;

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

L PR[1] 50mm/s FINE ;O robô move-se para o ponto da junta guardado no PR[1];

O código anterior tem um ponto de aproximação (P[1]) para a ferramenta começar o processo.

Depois é iniciada a busca, sendo realizado primeiro um deslocamento paralelo a uma superfície e

realizada a busca, seguidamente o robô volta ao ponto de aproximação e efectua outro deslocamento

paralelo à segunda superfície para posteriormente fazer a segunda busca. Depois de concluída a busca,

o robô volta ao ponto de aproximação e move-se para o ponto pretendido da aresta.

Apenas falta mencionar as buscas 3D de arestas, mais concretamente, a tarefa de encontrar um

vértice de uma peça.

Este processo é similar às buscas 3D utilizadas nos cantos geométricos, mas com alguns

pormenores também aplicados nas buscas 2D de arestas.

Para uma melhor compreensão deste tipo de buscas considere-se a ilustração da Fig. A1.24.

Fig. A1.24. Sólido modelo para exemplificar buscas de vértice.

132

Uma vez que estas buscas são as mais complexas e, para uma visão esquemática do processo de

detecção de vértices, considere-se as etapas representadas no fluxograma da Fig. A1.25.

Fig. A1.25. Fluxograma das etapas para o processo de buscas 3D.

O código que permite fazer este tipo de busca pode ser o seguinte:

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

Search Start [1] PR[1] ;É activado o início e tipo de busca e indicada a posição de

registo onde vai ser gravada a posição da aresta;

L P[2] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 2;

L P[2] 10mm/s FINE Search[-X] ;O robô move-se no sentido do eixo -x até encontrar a

peça;

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

133

L P[3] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 3;

L P[3] 10mm/s FINE Search[-Z] ;O robô move-se no sentido do eixo -z até encontrar a

peça;

Search End ;É terminado o processo de busca de peça;

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

Search Start [1] PR[2] ;É activado o início e tipo de busca e indicada a posição de

registo onde vai ser gravada a posição da aresta;

L P[4] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 4;

L P[4] 10mm/s FINE Search[Y] ;O robô move-se no sentido do eixo y até encontrar a

peça;

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

L P[5] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 5;

L P[5] 10mm/s FINE Search[-Z] ;O robô move-se no sentido do eixo -z até encontrar a

peça;

Search End ;É terminado o processo de busca de peça;

PR[GP1:1,2] = PR[GP1:2,2] ;É atribuído ao PR[1] o valor da coordenada em y do

PR[2];

L PR[1] 50mm/s FINE ;O robô move-se para o ponto do vértice guardado no PR[1];

Este caso é similar ao anterior, embora com mais um conjunto de buscas para interceptar algumas

das suas coordenadas. Começa-se por movimentar o robô para um ponto de aproximação (P[1]), a

partir do qual se vai desenrolar todo o processo.

Depois é movimentado o robô para um ponto (P[2]) de forma a efectuar uma busca,

seguidamente volta ao ponto de aproximação e movimenta-se para um ponto (P[3]) de modo a realizar

uma busca noutra superfície, seguindo-se o movimento para o ponto de aproximação.

O outro conjunto de buscas é efectuado da mesma forma que o anterior. Depois de realizado o

conjunto das segundas buscas é atribuído através de PR, a coordenada em y de um PR ao outro PR.

Deste modo o robô pode movimentar-se para o vértice calculado.

Estes foram os tipos de buscas que foram ensaiadas para poder aplicar no trabalho final. É óbvio

que existe sempre a possibilidade de serem utilizadas outras formas de efectuar buscas mas,

independentemente de este estudo ser ou não utilizado, a pesquisa e ensaios efectuados ficarão sempre

como uma iniciação a este tipo de buscas e como forma de conhecimento e enriquecimento

profissional.

134

A1.4 Análise da função Skip Condition

A função de skip condition era a função utilizada anteriormente ao touch sensing através de uma

entrada e uma saída disponíveis no controlador do robô. Os contactos referidos correspondem à

entrada WI[8] e à saída WO[8].

A função referida (skip condition) é uma função de salto condicional, ou seja, no caso de se

verificar ou não se verificar uma condição é efectuado um determinado procedimento que pode ser

uma de duas coisas: correr o programa seguido ou efectuar um salto predefinido.

Primeiro importa referir que existem dois terminais que mantêm um circuito aberto, é claro que

se está a falar da ponta da tocha e da massa da máquina de soldar, que por sua vez se encontra ligada à

estrutura da peça. O salto referido ou continuação do programa é realizado de uma forma muito

simples, ou seja, o robô quando toca com a ponta da tocha na peça fecha um circuito através da massa

da máquina de soldar que activa a WI[8], forçando o robô a parar. Caso não seja fechado o circuito

através da ponta da tocha do robô ao tocar na peça metálica, depois de percorridos os milímetros

desejados, é realizado um salto programado para ser corrido determinado código, por exemplo de erro.

Uma característica, que particulariza esta função, é que esta tem de seguir sempre acompanhada

de offsets de deslocamento, através dos quais é possível movimentar o robô no sentido que foi

programado, de maneira a este ir de encontro à peça.

Para uma visão esquemática do processo de detecção de peça com a função skip condition,

considere-se o fluxograma da Fig. A1.26 com as etapas necessárias que têm, obrigatoriamente, de ser

incluídas na programação.

Fig. A1.26. Fluxograma do funcionamento da função skip condition.

135

A seguir apresenta-se um exemplo de código que utiliza a função skip condition para uma melhor

explicação do processo utilizado.

L P[1] 100mm/s FINE ;O robô move-se linearmente para o ponto 1;

PR[1] = P[1] ;É atribuída a posição P[1] à posição de registo PR[1];

PR[GP1:1,1] = PR[GP1:1,1]+100 ;É atribuída à posição de registo PR[1] um

deslocamento de 100 mm no eixo de

coordenada número 1 (eixo do x);

WO[8] = ON ;É activada a saída WO[8];

SKIP CONDITION WI[8] = ON ;É activada a condição skip condition para a WI[8];

L PR[1] 10mm/s FINE SKIP, LBL[1] ;O robô move-se linearmente no máximo até

ao ponto de registo PR[1]. Caso encontre a

peça, pára, e continua a execução do

programa para a próxima linha, se não a

encontrar salta para a LBL[1];

PR[2] = LPOS ;É memorizada a posição actual do robô no PR[2] em

coordenadas cartesianas;

A utilização deste código começa com a atribuição de um ponto marcado a uma posição de

registo (PR). A seguir é realizado um offset de 100 mm no sentido do eixo do x através do qual vai ser

realizado um deslocamento.

Antes de iniciar a função skip condition é necessário activar a saída WO[7] da máquina de soldar,

de modo a que possa existir o circuito referido anteriormente aberto entre a peça metálica e a ponta da

tocha. A partir desse momento é realizado o movimento do offset e, caso a tocha toque na peça, a

execução do programa continua normalmente, enquanto que, se a tocha não tocar na peça depois de

percorrido o deslocamento do offset, consequentemente também não fecha o circuito da WI[8], logo é

realizado um salto para a linha de programa que contiver a LBL[1].

Esta é a descrição sumária da função skip condition, e a partir deste exemplo simples é possível

elaborar sequências de código que efectuam tarefas complicadíssimas.

A1.4.1 Criação de algoritmo de buscas para aplicar no projecto

Com vista à substituição do touch sensing pelo skip condition, tomei a opção de criar um

algoritmo para aplicar no projecto. Razões como a existência de muitas buscas diferentes e algumas

que têm o objectivo de apenas posicionar numa única direcção o robô a uma distância predefinida da

peça, são cruciais para adoptar este método.

136

O objectivo era simplificar a programação, e ao mesmo tempo apresentar um programa

configurável das várias vezes que é corrido, assim, um programa único podia ser configurado com

registos para buscas com valores de parâmetros diferentes.

O referido programa contém uma sequência de análise de três registos, ou seja, um para cada

eixo, x, y e z. A análise dos três registos relaciona-se com o valor que eles contêm visando,

basicamente, criar uma lógica que permita saber quais os registos que têm um valor diferente de zero.

Dependendo disso, o programa efectua um salto para a linha desejada, executa o referido offset e

efectua a consequente busca. É importante dizer que, se apenas um dos registos estiver diferente de

zero, o robô efectua uma busca na direcção do eixo escolhido, enquanto que, se houver mais do que

um registo diferente de zero, então, terá de haver uma conjugação das duas componentes. Esta

possibilidade de fazer as buscas em duas componentes tem de ser utilizada, por exemplo, no corte de

separação do Top Cover das Hatches, ou seja um corte circular.

O programa que foi elaborado pode ser consultado em suporte digital no CD com o nome do

programa BUSCASKI.

137

Anexo 2

Datasheet do transdutor BUM

139

141

Anexo 3

Datasheet do filtro

143

144

145

Anexo 4

Manual do operador

147

148

149

150

151

152

153