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Célula Robótica Industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs Nuno Ferreira Rodrigues Dissertação do MIEM Orientadores: Prof. Paulo Augusto Ferreira de Abreu Prof. António Manuel Ferreira Mendes Lopes Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Opção de Automação Porto, Julho de 2011

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Célula Robótica Industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs

Nuno Ferreira Rodrigues

Dissertação do MIEM

Orientadores:

Prof. Paulo Augusto Ferreira de Abreu

Prof. António Manuel Ferreira Mendes Lopes

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Opção de Automação

Porto, Julho de 2011

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Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs

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“Better to die standing, than to live in your knees”

Ernesto Rafael Guevara de la Serna

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Resumo

As actuais condições dos mercados obrigam a que, mesmo peças com tiragens pequenas,

sejam feitas rápida e eficazmente.

A introdução de robôs em operações de maquinagem, é vista como uma boa aposta em termos

de flexibilidade e de custo/peça permitindo responder às exigências do mercado. O grande

entrave sentido na aplicação de robôs, pelas empresas, é a programação das trajectórias, de

maquinagem, pelo método tradicional (online).

A procura de soluções levou a que programas destinados a máquinas ferramenta, fossem

adaptados para a programação de robôs. Esta solução permite que se criem, pelo método

offline, caminhos complexos sem que a célula precise de parar, aumentando, assim, a sua

eficiência.

A realização deste projecto tem como objectivo a aplicação, implementação e validação de

ferramentas CAD/CAM para a programação de robôs industriais. Assim, partindo de um

programa de comando numérico gerado por uma aplicação de CAD/CAM, deverá ser gerado

um programa em linguagem Rapid (linguagem dos robôs ABB). O programa deverá ser

validade e simulado com recurso o software de programação offline da ABB (Robotstudio).

Posteriormente, o programa deverá ser implementado na célula robótica disponível.

Numa primeira fase, o trabalho consistiu num enquadramento dos temas associados. Seguiu-

se um estudo aprofundado dos elementos constituintes da célula robótica existente, assim

como a criação de interfaces de ligação. A passagem para o meio virtual impulsionou a

criação de alguns testes, de modo a percebe-se melhor, a influência de parâmetros como a

orientação da ferramenta. A última fase do trabalho consistiu na aplicação e validação dos

programas gerados recorrendo à célula robótica existente e ao software de programação

offline do fabricante do robô.

A geração de programas, em linguagem robô, para operações de maquinagem, recorrendo ao

software CAD/CAM, é acompanhada de erros. Foi possível concluir que os erros são

relacionados com uma modelação errada da amplitude das juntas do robô e com uma falta de

informação nos acessórios criados. O uso do software Robotstudio, como intermédio de

confirmação dos programas gerados, provou-se vantajoso permitindo a detecção e

compreensão, desses erros, antes da passagem para a célula real. A correcção de alguns dos

erros obtidos em versões mais actuais do software de CAD/CAM evidencia que a utilização

de robôs em aplicações de maquinagem é uma técnica recente e com perspectivas de

crescimento.

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Abstract

The present market conditions demand that even to produce parts in small batches it is

necessary to have flexible machining process.

The use of robots in machining operations is a good strategy in terms of flexibility and cost

per piece allowing to be up to the demands of the market. The major obstacle felt by the

companies when using robots is the programming of the paths of the machining operations,

using the traditional method (online).

The search for solutions led to the conversion of programs designed for machine tools into

robot programs. This solution allows the production of complex paths, by the offline method,

without stopping the cell, increasing, this way, the effectiveness.

The purpose of this project is the application, implementation and validation of CAD/CAM

tools to program industrial robots. Starting with a numerical control program generated by an

application of CAD / CAM, a program must be generated in Rapid language (language of

ABB robots). The program should be validated and simulated using the software for offline

programming of ABB (RobotStudio). Afterwards the program should be implemented in the

available robotic cell.

Initially, the work involved a review of the current developments and associated themes. Then

a detailed study of the elements of the existing robotic cell, as well as the creation of

connection interfaces was carried out. The transition to the virtual environment led to the

creation of some tests in order to test the influence of parameters such as the orientation of the

tool. Finally the work involved the application and validation of programs generated using the

robotic cell and the existing offline programming software from the manufacturer's robot.

The programs generation, in robot language, for machining operations, using CAD / CAM

software, is accompanied by errors. It was concluded that the errors are related to a wrong

modeling of the robot joint amplitude and with a lack of information on the created

accessories. The use of RobotStudio software, as means of confirming the generated

programs, proved to be advantageous allowing the detection and understanding, of these

errors, before the transition to the real cell. The correction, in current versions, of some of the

obtained errors in the CAD / CAM software evidence that the use of robots in machining

applications is a recent development and with growth prospects.

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Agradecimentos

Aos meus orientadores, professor Paulo Abreu e professor António Mendes Lopes pela

disponibilidade e ajuda no contorno das dificuldades encontradas.

Ao professor Francisco Freitas pelas iniciativas tomadas com intuito de melhor a nossa

formação.

Ao professor Joaquim Fonseca pela ajuda oferecida na realização dos desenhos de definição

das interfaces criadas.

À minha família por me oferecer a oportunidade de estudar e apoiar ainda que de uma

maneira não convencional.

À minha namorada Mafalda por todos os momentos de felicidade, apoio e confiança que me

dá.

Aos meus “manos” que me acompanham em todos os momentos.

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1. Introdução ........................................................................................................................... 1

2. Operações de maquinagem ................................................................................................. 3

2.1. Maquinagem e comando numérico .............................................................................. 3

2.1.1. Fresagem em máquinas ferramenta ...................................................................... 6

2.2. Softwares para maquinagem CAD/CAM .................................................................... 7

2.2.1. Mastercam ............................................................................................................ 8

2.2.2. PowerMILL .......................................................................................................... 9

2.2.3. SolidCAM/InventorCAM ..................................................................................... 9

2.3. Robôs industriais ........................................................................................................ 10

2.4. Programação de robôs ................................................................................................ 12

2.5. Maquinagem com robôs industriais ........................................................................... 14

2.5.1. Stäubli RX 170 HSM .......................................................................................... 15

2.5.2. ABB 6660 205/1,9 .............................................................................................. 15

2.5.3. Programação de robôs para aplicações de maquinagem .................................... 16

3. Configuração da célula robótica ....................................................................................... 19

3.1. Célula robótica real .................................................................................................... 19

3.1.1. Robô ABB IRB2400/16 ..................................................................................... 19

3.1.2. Célula de carga ATI IP60 ................................................................................... 20

3.1.3. Mudança de ferramenta SCHUNK SWS-011 .................................................... 20

3.1.4. Mesa posicionadora ABB IRBP C500 ............................................................... 21

3.1.5. Controlador ABB IRC5 ...................................................................................... 22

3.1.6. Motor árvore Precision Drive Systems (PDS) XLC 070 .................................... 22

3.1.7. Controlo do motor árvore: variador de frequência DELTA Electronics

VDF037V43 ..................................................................................................................... 24

3.1.8. Interfaces de ligação motor/robô ........................................................................ 25

3.1.9. Sistemas de segurança ........................................................................................ 30

3.2. Célula robótica virtual ............................................................................................... 31

Índice

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3.2.1. Modelação em Mastercam/Robotmaster ............................................................ 32

3.2.2. Modelação em Robotstudio ............................................................................... 34

4. Análise de factores que influenciam a capacidade do robô seguir um trajecto de

maquinagem ............................................................................................................................. 37

5. Testes na célula virtual ..................................................................................................... 43

5.1. Teste 1 ....................................................................................................................... 43

5.2. Teste 2 ....................................................................................................................... 48

5.3. Teste 3 ....................................................................................................................... 49

5.4. Teste 4 ....................................................................................................................... 50

6. Testes na célula real ......................................................................................................... 53

6.1. Teste 1 ....................................................................................................................... 54

6.2. Teste 2 ....................................................................................................................... 55

6.3. Teste 3 ....................................................................................................................... 57

7. Conclusões e trabalhos futuros ........................................................................................ 61

8. Referências ....................................................................................................................... 63

Anexos ..................................................................................................................................... 65

Anexo A ............................................................................................................................... 67

Anexo B ............................................................................................................................... 69

Anexo C ............................................................................................................................... 70

Anexo D ............................................................................................................................... 71

Anexo E................................................................................................................................ 72

Anexo F ................................................................................................................................ 73

Anexo G ............................................................................................................................... 74

Anexo H ............................................................................................................................... 75

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Num mundo competitivo em que a oferta aumenta diariamente, a mudança, a inovação e a

adaptabilidade são os caminhos que as empresas devem seguir para conseguirem manter-se

actuais e competitivas.

A obtenção de produtos com toleranciamentos apertados encontra-se altamente desenvolvida

e perfeitamente dominada no mundo industrial, sendo acompanhada pela evolução

computacional em forma de softwares de programação. Estes softwares permitem “à distância

de um clique” obter todas as funcionalidades desejadas, sendo possíveis optimizações dos

mesmos para processos mais dedicados.

Devido ao custo associado à utilização de máquinas ferramenta, peças que não exigem níveis

de acabamento elevados, são, tipicamente, produzidos manualmente ou com máquinas muito

dedicadas, não permitindo uma evolução dos mecanismos nem um acompanhamento do

mercado actual. A área de negócio destes produtos com menores requisitos superficiais é, na

realidade, muito extensa, passando por produtos de prototipagem rápida até peças ornamentais

e arquitectónicas.

As vantagens da utilização de robôs industriais levaram a que estes fossem candidatos ideais

para a automatização desta área menos explorada. A grande dificuldade encontrada na

aplicação de robôs a estes processos é a sua programação. Um caminho de maquinagem

contém um número elevado de pontos e, como os robôs não se regem por uma linguagem

universal, as empresas de software tem mais dificuldades na evolução. Mesmo assim, existem

no mercado diversas marcas que produzem softwares capazes de programar robôs de

diferentes fabricantes para aplicações de maquinagem.

Os objectivos deste trabalho enquadram-se na evolução desta área de aplicações, tendo-se

como meta o estudo de softwares de programação de robôs destinados a processos de

maquinagem. Existindo uma célula robótica no Departamento de Engenharia Mecânica da

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sentiu-se a necessidade de aplicar os

estudos realizados e assim poder tirar conclusões com alguma validação prática. Esta

aplicação impossibilitou o estudo de todos os processos de maquinagem, escolhendo-se a

fresagem de topo como processo a estudar.

A primeira parte do estudo realizado focou-se numa melhor compreensão dos temas que, de

alguma forma, influenciavam a obtenção dos resultados pretendidos. Fez-se uma revisão

bibliográfica sobre máquinas ferramenta e softwares de programação destas, de robôs e

processos de programação e, por fim, um estudo da aplicação de robôs para tarefas de

maquinagem. Os resultados obtidos neste estudo encontram-se descritos no capítulo dois.

Depois de uma compreensão sobre os temas a abordar estudou-se com alguma profundidade a

célula real existente. Deste estudo surgiu a necessidade de criar interfaces de ligação entre o

1. Introdução

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motor árvore e o robô para permitir a sua utilização conjunta. O desenho dessa interface

implicou o estudo da orientação a utilizar na colocação da ferramenta no robô, que levou à

realização de diversos testes. A descrição da célula existente é feita no terceiro capítulo assim

como a sua passagem para o meio virtual. Para ser possível a modelação da célula real em

meio virtual tiveram de ser criados alguns dos componentes e depois editados, dependendo do

programa a utilizar. O recurso a um programa de CAD/CAM (Mastercam/Robotmaster) com

capacidade de programar robôs era suficiente para a realização deste trabalho, porém

escolheu-se confirmar os traçados criados num software de programação do fabricante do

robô (Robotstudio). A aprendizagem destes softwares envolveu a realização de diversos

tutoriais.

A realização dos testes para se avaliar qual a melhor orientação da ferramenta encontra-se

descrita no capítulo quarto, assim como as conclusões obtidas.

Com a definição da célula robótica em ambiente virtual passou-se à realização de testes e

respectivas simulações para avaliar a sua possibilidade de execução na célula real. Os erros

obtidos durante essas simulações assim como as correcções necessárias estão descritos no

capítulo quinto.

A passagem para a célula real foi feita em conjunto com as alterações na virtual. Foi um

processo iterativo tornando possível a correcção imediata dos erros obtidos. Mesmo assim

decidiu-se estruturar o relatório de maneira separada encontrando-se, no sexto capítulo, os

testes realizados na célula real.

No último capítulo do presente trabalho encontram-se as conclusões tiradas de todos os

estudos realizados. Sumarizando-os é possível dizer que a utilização de softwares de

CAD/CAM com possibilidade de programação de robôs é uma técnica que ainda traz

associados erros, nos programas gerados, e que cria, devido a uma evolução lenta por parte

dos criadores, dificuldades na modelação de elementos da célula real na célula virtual. É

também notável a evolução que estes softwares estão a sofrer, sendo a prova de que estas

aplicações (maquinagem com robôs) são uma matéria recente e com expectativas de

crescimento.

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2.1. Maquinagem e comando numérico

Pode definir-se maquinagem como sendo o processo mecânico de trabalho de materiais onde

há arranque de apara. São processos precisos e rápidos, mas dispendiosos, sendo geralmente

aplicados depois de processos sem arranque de apara [1]. Apresentam-se alguns exemplos de

técnicas de maquinagem:

Torneamento

Aplainamento

Furação

Serragem

Rectificação

Fresagem

As diferenças existentes entre estas técnicas levou a que fossem criadas máquinas específicas

para cada uma e, como fazem uma movimentação mecânica de uma ferramenta, são

usualmente conhecidas como máquinas ferramenta.

O controlo dos drivers dos motores, sistemas de segurança, meios de comunicação e

recentemente softwares de apoio à gestão e desenvolvimento do produto têm vindo a ser

integrados no módulo do Comando Numérico Computadorizado (CNC).

A primeira utilização de um módulo CNC foi em 1952, onde se controlava uma fresadora de

três eixos por um sistema híbrido analógico/digital de fita perfurada [2]. Nos dias correntes,

os módulos CNC, incluem sistemas abertos (com base em computadores e sistemas

operativos), contêm controlo adaptativo e permitem um controlo da produção comunicando

com sistemas de gestão e supervisão. Começam também a ser incluídos softwares de

desenvolvimento de produto que permite diminuir o tempo de comunicação entre projectista,

programador e operador (floor programming). Esta diminuição tem grandes efeitos a nível

monetário uma vez que uma percentagem dos custos de fabrico é determinada pelas soluções

especificadas no projecto [3].

O número de eixos controlados também aumentou, conseguindo-se hoje, em alguns

processos, o controlo de 5 eixos sincronizados: os 3 eixos cartesianos e a orientação segundo

dois planos da peça. Esta evolução permite a maquinagem de formas cada vez mais

complexas.

Tipicamente um sistema de comando numérico é constituído por uma interface com o

utilizador (MMI – Man Machine Interface), uma unidade de processamento (NCK –

Numerical Control Kernel), que interpreta e interpola um programa, e um autómato

programável responsável pelas entradas digitais do sistema (Figura 2.1) [4].

2. Operações de maquinagem

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Figura 2.1: Constituintes de um módulo de CNC [4]

Uma das grandes dificuldades em termos de maquinagem é a criação do programa. Durante

muitos anos a linguagem de programação era normalizada segundo a norma ISO 6983/1,

também conhecida como códigos G&M. Esta linguagem era numa parte igual para todas as

máquinas mas trazia associados comandos específicos para cada construtor ou processo. Este

facto tornava a linguagem não universal, pelo que foi criada uma nova norma ISO 10303-238,

também conhecida por STEP-NC [4]. Com esta nova linguagem é possível o intercâmbio do

mesmo programa entre várias máquinas, mas a sua utilização está muito restringida pelo

número de máquinas que a aceitam e pela quantidade de pessoas familiarizadas pela norma

antiga. Na Figura 2.2 está apresentada a ideia que levou à criação da nova norma, a

capacidade de ter um fluxo de informação universal entre as várias fases do projecto.

Figura 2.2: Fluxo de informação com a norma STEP [5]

Como em muitos outros sectores das tecnologias a indústria aeroespacial causou um grande

salto evolutivo na área da maquinagem. Com a necessidade de peças em materiais mais duros

e com melhores acabamentos superficiais, surgiu por volta do ano 1976 a produção de peças

recorrendo a maquinagem de alta velocidade (HSM - High Speed Machining). Este conceito

fez com que toda a estrutura das máquinas e controladores tivesse que ser revista e é ainda

hoje considerada como uma solução de alto nível tecnológico. É de referir que a nível de

mercado esta tecnologia apresenta a vantagem de permitir reduzir o tempo de produção de

uma peça e assim diminuir o seu custo unitário.

A ideia deste conceito é aumentar a velocidade de maquinagem e, consequentemente, a

velocidade de avanço, fazendo com que esta seja maior que a velocidade de condução

térmica, concentrando a maior parte do calor dissipado no material removido. Apresenta-se na

Figura 2.3 um gráfico onde é possível ver a diminuição da temperatura com o aumento da

velocidade [6]. Apesar de não haver uma definição para a velocidade a que se dá a passagem

de maquinagem convencional para maquinagem a alta velocidade, podem apontar-se

velocidades da ferramenta na ordem das dezenas de milhares de rotações por minuto e na

ordem das dezenas de metros por minutos para as velocidades de avanço.

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Figura 2.3: Diminuição da temperatura com o aumento da velocidade de fresagem [6]

Para suportar esta tecnologia, as máquinas têm de ter a nível mecânico uma simetria e

equilíbrio dos pesos do motor, pinça (collet) e suporte da ferramenta (tool holder) já que estes

vão rodar a velocidades na ordem das trinta e cinco mil rotações por minuto. Deve também

conseguir acomodar velocidades elevadas de avanço e todas as vibrações associadas ao

processo a estas velocidades.

As ferramentas devem ter uma elevada resistência ao desgaste, elevada dureza a quente e a

frio e elevada condutividade térmica, para além de terem um baixo coeficiente de atrito e de

dilatação. Para conseguir responder a estes requisitos usam-se materiais como os Cermets

(agregados cerâmicos numa matriz metálica), os cerâmicos ou os materiais ultra duros

(diamantes ou nitreto de boro cúbico), sendo possível usar revestimentos (Figura 2.4) para

aumentar as características mecânicas conforme o processo/material a maquinar [7].

Figura 2.4: Pastilha para torno com vários revestimentos [8]

As peças têm de ser fixadas com uma boa repetibilidade para que possam obter-se os

toleranciamentos anunciados. Para atingir os valores desejados de repetibilidade, por vezes

usa-se um apalpador, em vez da ferramenta, para determinar com exactidão um ponto de

referência da peça. Apresenta-se na Figura 2.5 um apalpador aplicado num torno mecânico,

comunicando este com o comando numérico do sistema.

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Figura 2.5: Aplicação de um apalpador num torno mecânico [9]

O controlador deve conseguir processar e ler antecipadamente blocos de instruções de forma

rápida para poder gerar a trajectória e as ordens para os drivers dos motores.

As vantagens desta tecnologia face à maquinagem convencional são o melhor acabamento

superficial, redução do tempo em máquina por peça e do tempo de setup, possibilidade de

fazer peças de geometrias mais complexas, melhorando a resistência destas e a capacidade de

realizar peças com paredes finas. Tem como desvantagens o aumento do custo das máquinas e

ferramentas [3].

Estas evoluções trouxeram como desvantagem o custo da máquina e a obrigatoriedade de ter

operadores com grande nível de conhecimentos.

No presente trabalho, uma vez que o estudo de todos os processos de maquinagem seria difícil

de fazer e de testar na célula robótica virtual/real, optou-se por escolher um único processo de

maquinagem para realizar um estudo mais aprofundado sobre este. A escolha do processo

começou com a definição das restrições da célula robótica (expostas no capítulo 3), havendo

mesmo assim dois processos que correspondiam às limitações impostas: a fresagem e a

furação. Decidiu-se optar pela fresagem uma vez que é um processo mais complexo e que

hoje em dia engloba frequentemente a furação.

2.1.1. Fresagem em máquinas ferramenta

Por meio de fresagem podem ser fabricadas peças dos mais diversos materiais, por exemplo,

de aço, ferro fundido, metais não ferrosos e materiais sintéticos, com superfícies planas ou

curvas, com entalhes, com ranhuras, com sistemas de dentes, etc. [1].

Sendo este, um processo complexo e com capacidade de ser muito flexível (várias famílias de

produtos), surgiram no mercado diferentes estruturas, conseguindo-se fresadoras mais

dedicadas e por consequência uma diminuição no custo unitário do produto. Todas as

estruturas partilham um ponto em comum, a ferramenta é animada de um movimento de

rotação feito num motor alojado na árvore da máquina. Estes motores têm como requisito a

disposição de uma valor de binário constante, para poderem suportar a força de corte que o

material produz, trabalhando em gamas de velocidades a partir das novecentas rotações por

minuto até às doze mil rotações por minuto ou, em casos de maquinagem a alta velocidade,

até valores mais elevados. De maneira a respeitar esta condição os motores empregues na

árvore são normalmente motores de corrente alternada chamados de motores árvore ou

“spindles”.

A movimentação da ferramenta é feita segundo o eixo cartesiano z (altura) recorrendo-se à

mesa onde a peça está fixada para obter os movimentos nos restantes eixos cartesianos.

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Actualmente, devido à evolução que estas máquinas têm tido, o nome fresadora deixou de

fazer tanto sentido e passou a utilizar-se o nome centro de maquinagem. Nestes centros

encontra-se a capacidade de orientação e de movimentação da peça e da ferramenta até 6

eixos, funções de gestão e funções de outros processos como, por exemplo, a fabricação de

peças de revolução, associadas a tornos mecânicos.

Existem duas possibilidades de posicionamento do eixo da ferramenta (fresa) relativamente ao

eixo da peça (Figura 2.6): perpendicular ou paralelo. Caso este seja perpendicular, a fresagem

chama-se de topo, e encontra-se nas fresadoras verticais. Caso o eixo esteja posicionado

paralelamente, designa-se fresagem cilíndrica e encontra-se nas fresadoras horizontais.

Na fresagem frontal ou de topo a ferramenta utiliza todas as navalhas para cortar a peça, tendo

como efeito aparas de espessura uniforme. Este tipo de disposição do eixo da ferramenta

relativamente ao da peça proporciona um rendimento de corte 15 a 20% mais elevado e uma

superfície mais lisa [1], quando comparada com a fresagem cilíndrica.

Figura 2.6: Orientação do eixo da fresa vs eixo da peça

Dentro da fresagem cilíndrica existem duas possibilidades. Na fresagem a “empurrar” o

sentido de rotação da fresa é contrário ao movimento de avanço, sendo este o método mais

utilizado uma vez que não precisa de forças de corte tão elevadas. Se o sentido de rotação

coincidir com o movimento de avanço chama-se fresagem a “puxar”, sendo aconselhado para

obtenção de grandes taxas de remoção de material.

Neste tipo de máquinas as aparas são retiradas das peças por meio da rotação da fresa, sendo

este o movimento principal ou de corte. Para a obtenção da espessura da apara desejada

recorre-se ao movimento da mesa.

2.2. Softwares para maquinagem CAD/CAM

Com a evolução das máquinas ferramenta e a necessidade de peças com geometrias mais

complexas, surgiram no mercado softwares com a capacidade de programar caminhos de

maquinagem independentes da complexidade da peça. Estes softwares acompanharam a

evolução computacional e do mercado, englobando hoje em dia, softwares destinados ao

projecto assistido por computador (CAD – Computer Aided Design) e ao suporte na

elaboração dos planos de fabrico (CAPP – Computer Aided Process Planning).

A integração CAD/CAM, além da diminuição de custos que proporciona pela redução de

tempo de comunicação entre diferentes fases do desenvolvimento da peça, elimina a

necessidade de pós-processadores para formato neutro, como eram precisos aquando da

passagem de ficheiros de software CAD para softwares CAM. Porém, e como referido, muitas

máquinas ainda funcionam com códigos G o que obriga a que estes softwares para se

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manterem competitivos, tenham de ter pós-processadores específicos para diferentes

máquinas.

Estes softwares calculam automaticamente, depois de definida a ferramenta e o material a

maquinar, a velocidade a que o motor deve rodar e a velocidade de avanço. Estas velocidades

têm relação com a dureza do material, com o número de gumes de corte e diâmetro da

ferramenta e com a operação em si, se for de acabamento ou de desbaste.

É importante perceber-se que existe sempre a possibilidade de editar um ficheiro depois de

criado e aí mudar os parâmetros que se quer. Mas, nesse caso, o objectivo destes softwares é

perdido. A compra destes softwares, pelo custo que representam numa empresa, deve permitir

que o mesmo não provoque um efeito estrangulador (“bottleneck”) no sistema de

desenvolvimento de produto. A informação que sai do programa deve estar pronta a utilizar

sem precisar de edições ou calibrações.

Apresentam-se de seguida alguns softwares CAD/CAM e suas principais especificações. No

mercado actual as empresas vêm-se obrigadas a oferecer ao cliente o que ele precisa, tendo de

ter a capacidade de adaptar um programa base a todas as situações requeridas.

2.2.1. Mastercam

Criado pela marca CNC software Inc. (www.mastercam.com), fundada em 1983, afirma ser o

software CAD/CAM mais utilizado no mundo, tendo por isso uma vasta gama de clientes

desde a indústria aeroespacial passando pela joalharia, madeira, música, desporto automóvel,

arte entre outros. Está estruturado por módulos para poder ser configurado de acordo com a

necessidade do cliente. Este software permite ainda a simulação do programa criado, para

verificação dos traçados e detecção de colisões.

A parte de CAD permite a edição e criação de desenhos 2D e 3D assim como a importação

directa de ficheiros criados em outros softwares de desenho.

Na parte de CAM existem módulos para fresadoras, tornos, máquinas de eletroerosão,

máquinas multi-eixos, módulos específicos para trabalhar em madeira (Figura 2.7) e para arte,

permitindo um desenho com menos restrições. Saiu recentemente uma opção unicamente de

CAM para ser instalada sobre o software de desenho Solidworks ou Autodesk Inventor.

Existem ainda módulos específicos para a indústria dos moldes, criando automaticamente o

molde e todo o processo de desmoldação.

Figura 2.7: Simulação de fresagem em madeira [10]

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9

2.2.2. PowerMILL

Criado pela marca Delcam (www.delcam.com), fundada em 1977, depois de ser desenvolvido

por uma universidade inglesa (Cambridge), este software é um forte concorrente do

Mastercam. É um software completo permitindo o desenho 2D e 3D e o processamento de

trajectórias de maquinagem em sistemas multi-eixos, máquinas de electroerosão, peças com

aberturas tubulares (Figura 2.8) e peças com tamanho inferior a 1mm. Permite a simulação

para testar possíveis colisões.

Figura 2.8: Simulação de fresagem numa peça com uma abertura tubular [11]

2.2.3. SolidCAM/InventorCAM

Criados pela marca SolidCam (www.solidcam.com e www.inventorcam.com), fundada em

1984, e com clientes como Bosch, Pirelli, Yamaha entre outros, estes softwares são

exclusivamente de CAM. Têm como vantagem o facto de serem totalmente integráveis nos

softwares CAD que lhes dão o nome, o Solidworks e Autodesk Inventor respectivamente.

Esta vantagem permite que uma empresa que tenha estações de CAD e queira instalar

softwares de CAM possa fazê-lo sem ter de comprar um software completamente novo,

perdendo o conhecimento existente. Permitem a criação de traçados para máquinas de dois

eixos e meio até cinco eixos (sincronizados), máquinas de electroerosão e máquinas que

combinam a fresadora com o torno. É apresentado na Figura 2.9 um exemplo de um caminho

combinado. Estes softwares permitem a simulação do traçado numa máquina ferramenta de

modo a serem visíveis possíveis colisões Figura 2.10.

Figura 2.9: Traçado combinado de uma peça de revolução e prismática [12]

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10

Figura 2.10: Simulação numa máquina ferramenta [13]

2.3. Robôs industriais

Pela definição ISO, um robô industrial é um manipulador automático, multifuncional,

reprogramável, com controlo de posição e velocidade. Tem vários graus de liberdade, é capaz

de manipular materiais, peças, ferramentas ou dispositivos especializados através da

programação de movimentos [14].

O início da utilização de robôs no mundo industrial data de 1961, onde o primeiro robô da

marca UNIMATE (Figura 2.11) foi aplicado numa fábrica da General Motors [14]. A

evolução dos robôs acompanhou, desde então, os desenvolvimentos computacionais e

mecânicos realizados, tendo actualmente boas características de repetibilidade (de trajectória e

posição) e amplos leques de velocidades e acelerações.

A noção de repetibilidade tem grande importância na área da robótica, onde muitas aplicações

requerem movimentos repetitivos, precisando o robô de possuir consistência no

posicionamento do seu elemento terminal. É dada pelo raio da esfera que contém todos os

pontos alcançados pelo robô. A sua classificação é dada por várias normas (ISO 9283,

ANSI/RIA 15.05) e é usual obter-se repetibilidades na ordem dos centésimos de milímetro.

Figura 2.11: Primeiro robô industrial [15]

Com a evolução e o aparecimento de novos robôs no mercado surgiu também a necessidade

de os classificar. A escolha recaiu sobre a configuração física, tendo sido agrupados segundo

duas categorias: série e paralela.

A configuração série pode ser caracterizada por um conjunto de corpos rígidos (braços ou

elos), ligados em série por intermédio de juntas prismáticas ou rotativas, formando uma

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11

cadeia articulada aberta. Um dos elos encontra-se fixo a uma base de suporte ficando o último

livre, permitindo acoplar garras ou ferramentas.

Dentro desta configuração existem as seguintes estruturas:

Articulada, revoluta ou antropomórfica (Figura 2.12);

Cilíndrica;

Cartesiana;

Polar;

Scara;

Spine;

Pendular.

Figura 2.12: Exemplo de robô com estrutura revoluta [16]

Estas estruturas diferem no tipo de juntas usadas, sendo as suas características gerais, a fácil

programação, velocidades elevadas e boa precisão. Este tipo de configuração (série) é a mais

usada.

A configuração paralela (Figura 2.13) é formada por duas plataformas, uma fixa e outra

móvel, ligadas por duas ou mais cadeias cinemáticas abertas e independentes. Cada cadeia

cinemática apresenta uma estrutura constituída por um conjunto de elos ligados em série por

juntas activas ou passivas. Esta configuração tem como vantagens principais a elevada

velocidade de actuação e uma maior rigidez quando comparada com a estrutura série [17].

Figura 2.13: Exemplo de robô de estrutura paralela [18]

A movimentação dos robôs pode ser feita de três maneiras diferentes: movimentação linear,

onde o robô segue um movimento linear de um ponto para o outro, movimentação circular,

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12

criando uma trajectória circular entre dois pontos e movimentação de junta, onde o robô

atinge a posição desejada de uma maneira “livre”.

2.4. Programação de robôs

Assim como noutros equipamentos automáticos a programação é a maneira a partir da qual se

consegue estabelecer a sequência de movimentos/tarefas desejadas. A linguagem de

programação usada varia de construtor para construtor trazendo dificuldades na programação

de robôs de marcas diferentes dentro da mesma célula. Na Tabela 2.1 são enumeradas

algumas das linguagens de programação usadas e respectivos fabricantes que as utilizam:

Tabela 2.1: Linguagem de programação segundo fabricante de robôs

Tradicionalmente a programação de robôs era feita através de uma consola ligada ao

controlador do robô, chamando-se de programação online. Esta maneira de programação

caracteriza-se pela obrigatoriedade da paragem da célula, trazendo quebras de produtividade e

um consequente aumento do custo do produto. Traz também um nível de insegurança elevado

para o programador e célula robótica. A vantagem deste método, e talvez a principal razão

pelo qual ainda continua a ser muito utilizado, é o facto de não ser preciso adquirir nenhum

material/software extra e não precisar de qualificação do operário. O ensinamento de pontos

pode ser feito de duas maneiras, através da consola ou, em casos de trajectórias complexas

(pintura, deposição de vedantes ou colas) recorrendo à cooperação entre o programador e o

elemento terminal do robô (guiamento activo ou passivo) [2]. No caso em que os pontos são

atingidos por movimentação da consola, estão à disposição do programador diferentes

referenciais que permitem uma movimentação do robô de uma forma mais intuitiva.

Facilmente se move ou orienta o elemento terminal de um robô para um ponto com

deslocações ou rotações segundo um referencial cartesiano, o que não acontece com a

movimentação por incrementos aos valores das juntas. Os referenciais mais utilizados são o

da base do robô ou zero da máquina (mundo), o da ponta da ferramenta ou zero da ferramenta

(TCP - Tool Center Point) e, em caso de existir, o referencial da peça ou zero da peça. Em

qualquer um destes métodos, o ponto pretendido quando atingido é gravado na memória do

controlador não sendo preciso efectuar ajustes ou calibrações.

Assim como aconteceu com os robôs, a sua programação também evoluiu com base nos

avanços computacionais. Num primeiro plano surgiu a evolução das consolas de programação

criando-se interfaces mais amigáveis, ecrãs maiores e tácteis e actualmente a substituição da

ligação cablada por ligações bluetooth.

Porém e face à evolução dos mercados em que se exige que as produções sejam cada vez mais

limpas (sem desperdícios) e rápidas (redução de tempos de preparação) surgiu a necessidade

de programar a célula robótica sem que esta parasse. Foi então criado um segundo método de

programação, também conhecido como programação offline. Esta programação consegue,

hoje em dia recriar em computador (Figura 2.14), todos os meios de programação efectuados

na consola, movimentação do robô (“jogging”) ou por linguagem de programação,

Fabricante Linguagem

ABB Rapid

FANUC Karel

REIS robotics IRL

KUKA KRL

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13

disponibilizando-os de uma maneira mais amigável (“user friendly”). O objectivo principal

deste método foi atingido uma vez que é possível programar-se novos caminhos sem que a

célula robótica tenha de parar e, através de ferramentas de simulação (Figura 2.15), podem

prever-se colisões evitando assim acidentes potencialmente perigosos para o

programador/célula. As desvantagens da programação offline são a obrigatoriedade de

adquirir um software específico e a necessidade de, mesmo assim efectuar-se ajustes por

programação online devido a possíveis erros de modelação na célula virtual.

Figura 2.14: Programação offline [19]

Figura 2.15: Simulação [20]

É importante perceber-se que, como as linguagens de programação de robôs não são

universais o software tem de ter ou a capacidade de se adaptar a diferentes linguagens ou, por

outro lado ter a limitação de só poder trabalhar com uma certa linguagem. Existem assim dois

tipos de softwares podendo ser classificados de genéricos, caso consigam trabalhar com mais

que uma linguagem ou de dedicados. Apresenta-se na Tabela 2.2 uma listagem de alguns

softwares de programação offline e correspondentes linguagens compatíveis.

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14

Tabela 2.2: Softwares de programação offline e compatibilidade dos mesmos

Software Compatibilidade com robôs

RobotStudio® ABB

Robostudio REIS robotics

Roboguide Fanuc

Motosim Motoman

WORKSPACE ABB, Adept, Esched, Fanuc, Mitsubishi

COSIMIR Mitsubishi, Bosch Rexroth e Staubli Robo

A introdução deste método de programação nas empresas tem vindo a ser mais lenta do que o

esperado, uma vez que a utilização de robôs ainda é feita na sua maioria para aplicações

dedicadas, não rentabilizando assim o custo do software. Mesmo não havendo dados que o

comprovem, acredita-se que este método tem vindo a oferecer condições de trabalho mais

favoráveis, fazendo assim com que haja um declínio na utilização da programação da célula

robótica pelo método online.

2.5. Maquinagem com robôs industriais

A utilização de robôs industriais para realização de tarefas de acabamento data de 1974 onde

o primeiro robô completamente eléctrico da marca ASEA era utilizado para polimento de

tubos de aço inoxidável (Figura 2.16). Devido ao custo associado a uma máquina ferramenta

as operações de acabamento (rebarbagem, lixagem e polimento) eram feitas manualmente

trazendo irregularidades, erros humanos e perigo para os trabalhadores. A criação de robôs

com seis ou mais eixos de movimento e o aparecimento do controlo de força permitiu a

realização dessas tarefas por robôs.

Figura 2.16: Robô ASEA para polimento [21]

A evolução dessa utilização seria a substituição das máquinas ferramenta por robôs,

aproveitando a vantagem do maior volume de trabalho. Porém, e como um robô não possui

um nível de rigidez equiparável a uma máquina ferramenta, tendo como consequência um

pior toleranciamento do produto, a evolução caminhou no sentido da complementação da

máquina ferramenta. Em casos em que o toleranciamento não é um requisito fulcral, a

utilização de robôs prova-se mais económica e por vezes mais flexível.

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15

A evolução de robôs dedicados à maquinagem tem continuado com o objectivo de melhorar a

sua rigidez e precisão de posicionamento. Apresenta-se na Tabela 2.3 a síntese das

características de dois robôs projectados para essa finalidade.

Tabela 2.3: Robôs projectados para operações de maquinagem

Fabricante Modelo Graus de liberdade Capacidade de carga [kg]

Stäubli RX 170 HSM 5 65

ABB IRB 6660 205/1,9 6 205

2.5.1. Stäubli RX 170 HSM

Este robô foi desenhado para operação de maquinagem contendo o motor árvore (“spindle”)

integrado na estrutura do robô como é possível ver na Figura 2.17. Esta integração permite

obter uma maior rigidez assim como a passagem de todas as ligações do motor por dentro do

robô: eléctrica, de arrefecimento e lubrificação. Uma das grandes vantagens que a compra de

um robô com estas especificações traz é a integração do comando do motor no controlador do

robô, permitindo o seu controlo através da consola de programação ou tecnologias offline.

Figura 2.17: Stäubli RX 170 HSM [22]

A marca possibilita a escolha de 3 diferentes motores árvore para operações de maquinagem a

alta velocidade, sendo apresentadas as suas características na Tabela 2.4.

Tabela 2.4: Caracteristicas dos motores árvore possíveis de escolher

Fabricante/modelo Velocidade de rotação [rpm] Potência [KW]

Precise/SD5084 500 até 20000 8

Fischer/MFM1224/42 2000 até 42000 17

Fischer/MFM1224 2000 até 24000 17

2.5.2. ABB 6660 205/1,9

Assim como o robô Stäubli apresentado anteriormente, este robô (Figura 2.18) foi

aperfeiçoado para operações de maquinagem. A construção mecânica possibilitou um

incremento de 75% de rigidez face a robôs normais [21].

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16

Figura 2.18: ABB 6660 205/1,9 [23]

A oferta de motores árvore é feita na forma “chave na mão” dependendo do robô a aplicar. O

conjunto contém o motor e respectivo driver, bem como as ligações e o software que permite

o controlo através da consola de programação (Figura 2.19).

Figura 2.19: Página de controlo do motor na consola ABB [24]

Mesmo com estas evoluções a aplicação de robôs para processos de maquinagem continua a

ser em peças em que não sejam precisos toleranciamentos apertados. A gama de materiais que

são trabalhados vai desde espumas e plásticos a metais (operações de pré-maquinagem)

passando por madeiras e pedra.

2.5.3. Programação de robôs para aplicações de maquinagem

A programação de robôs industriais para aplicações de maquinagem é uma tarefa muito

complicada e complexa uma vez que num traçado de maquinagem o número de pontos é

elevado. Assim como aconteceu na programação de traçados para máquinas ferramenta

também nos robôs sentiu-se a necessidade de criar softwares capazes de os programar

independentemente da complexidade do traçado.

É preciso não esquecer que a programação de robôs não se rege por uma linguagem universal,

trazendo associado dificuldades na criação dos softwares.

Uma vez que os softwares CAD/CAM já se apresentavam disponíveis no mercado, alguns

fabricantes desenvolveram pós-processadores para serem compatíveis com a linguagem dos

robôs.

A simulação da movimentação do robô e das trajectórias de maquinagem possibilita não só a

visualização de possíveis colisões, mas serve também para aferir a capacidade do robô chegar

a todos os pontos e verificar se as interpolações entre eles são possíveis.

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17

Apresenta-se na Tabela 2.5 a informação sintetizada de três softwares de programação de

robôs para tarefas de maquinagem.

Tabela 2.5: CAD/CAM para robôs e características

Software

Software

base Pós-processamento Simulação

Nº de eixos

permitidos

Robotmaster

www.Robotmaster.com Mastercam

FANUC

ABB

MOTOMAN

KUKA

STÄUBLI Sim 8

PowerMILL Robot

Interface

www.powermill.com PowerMILL

FANUC

ABB

MOTOMAN

KUKA

STÄUBLI Sim 8

IRBCAM

www.irbcam.com

Mastercam

PowerMILL

SolidCam

CATIA

Etc.

ABB

MOTOMAN

KUKA

COMAU Sim 8

São apresentadas 3 empresas que usam robôs industriais para maquinagem.

Johnsons Wellfield Quarries

Empresa inglesa de trabalhos em pedra, criada em 1854 (www.myersgroup.co.uk/jwq),

conseguiu manter-se como líder no mercado devido a uma constante remodelação das

tecnologias usadas.

Após ganhar várias concessões para obras relativamente grandes, entenderam que uma

mudança urgente nos processos utilizados era precisa. Depois de alguma pesquisa e de uma

demonstração do fabricante Stäubli chegaram a um acordo que a utilização de robôs para

maquinagem de pedra seria uma boa opção. Actualmente dispõem de três células robóticas

compostas por robôs RX270, contando com o programa MasterCam/Robotmaster como

software [25].Outras vantagens foram atingidas com a menor exposição dos operadores a

resíduos provenientes das operações.

Na Figura 2.20 apresenta-se uma escultura criada na fábrica em questão.

Figura 2.20: Escultura de pedra realizada por Johnsons Wellfield Quarries [25]

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Garner Holt Productions Inc

Empresa fundada e sediada nos Estados Unidos da América desde 1977

(www.garnerholt.com), com o objectivo de criar esculturas e modelos funcionais. Tem uma

vasta gama de clientes, como parques temáticos, museus, hotéis, restaurantes entre outros.

Com a necessidade de criar formas complexas e de grandes dimensões, em espumas, a

utilização de robôs e softwares CAD/CAM tornou o processo de desbaste rápido, preciso e

económico. Actualmente a empresa conta com um robô do fabricante KUKA de seis eixos,

com uma mesa posicionadora e com o software PowerMILL para programar as trajectórias.

Apresenta-se na Figura 2.21 a maquinagem de uma escultura.

Figura 2.21: Robô KUKA a maquinar para Garner Holt Productions [26]

Tromes Design

Empresa australiana fornecedora de trabalhos em resinas, espumas e compósitos

(www.tromesdesign.com). Com clientes no sector aeronáutico, automobilismo, desportos

radicais entre outros, esta empresa adquiriu e desenvolveu tecnologias que permitem obter dos

materiais trabalhados propriedades mecânicas únicas, adquirindo um portefólio vasto de

prémios.

A necessidade de desenvolver todo o processo de desenho, protótipo, molde e peça final em

pouco tempo tornou-se dificultada quando feita pelas técnicas convencionais (manualmente).

A escolha de um robô e software offline permitiu ultrapassar esse problema. Possuem robôs

do fabricante Motoman, usando o programa Rhino 3.0 como software de CAD e o programa

Powermill como interface CAD/CAM. Apresenta-se na Figura 2.22 a utilização de um robô

para maquinagem de uma prancha de surf.

Figura 2.22: Maquinagem de uma prancha de surf [27]

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Neste capítulo são descritas as configurações existentes (célula real) e as criadas virtualmente,

para ser possível a realização de simulações e testes. Os trabalhos foram realizados no

laboratório de robótica do Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de

Engenharia da Universidade de Porto.

3.1. Célula robótica real

A célula robótica existente é constituída pelos seguintes elementos:

Robô

Mesa

Controlador do robô

Motor árvore

Controlador do motor árvore

3.1.1. Robô ABB IRB2400/16

A série IRB 2400 de robôs da ABB representa o robô industrial mais popular no mundo na

sua classe, graças a uma gama completa de aplicações optimizadas. Este tipo de robôs

apresenta uma eficiência elevada na realização de diversas tarefas industriais.

O robô IRB2400/16 (Figura 3.1) possui uma configuração série, dispondo de 6 eixos.

Apresenta uma capacidade de carga de 20 kg e alcance máximo de 1,5m. Visto ser um robô

de estrutura revoluta apresenta uma excelente manobrabilidade, uma elevada velocidade de

operação e um grande volume de trabalho, para uma pequena área de montagem.

Em anexo apresentam-se as características funcionais dos robôs da série IRB 2400. [Anexo

A]

Figura 3.1: Robô ABB IRB2400/16 [28]

3. Configuração da célula robótica

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O robô encontra-se instalado em cima de uma base, permitindo um melhor aproveitamento do

seu volume de trabalho.

O elemento terminal do robô tem acoplado dois dispositivos: célula de carga e sistema de

mudança automática de ferramenta.

3.1.2. Célula de carga ATI IP60

Este transdutor, fornecido pelo construtor do robô como um “conjunto chave na mão” para

aplicação de controlo de força é da marca ATI Industrial Automation. Esta empresa é

dedicada à construção de acessórios para robôs.

O conjunto traz uma célula de carga modelo Delta IP60 (Figura 3.2) capaz de medir seis

componentes de força: três momentos e três forças. Este transdutor é feito de peças de aço

maquinadas tornando-o ideal para uso industrial. Pode trabalhar em ambientes com poeiras

suspensas. O conjunto traz também uma flange de protecção instalada entre o robô e o

transdutor, assim como todo o software e hardware para permitir o controlo da força.

A utilização de robôs a realizar trajectórias com controlo de força é uma aplicação recente.

Tem diversas vantagens em múltiplas áreas, como por exemplo, em aplicações de lixagem de

superfícies não uniformes, conseguindo manter uma força de contacto constante dando o

acabamento pretendido. Em operações de montagem, a sua utilização, é também vantajosa

permitindo “descobrir”, através do varrimento de um conjunto de pontos, qual o encaixe

perfeito dependendo da força lida. Estes transdutores aplicados a robôs têm as desvantagens

associadas a uma tecnologia emergente: custos e dificuldade de integração nos programas e

controladores.

A utilização de células de carga em operações de maquinagem uma vez que a rigidez

intrínseca da célula de carga afecta a precisão de posicionamento da ferramenta transportada

pelo robô.

Figura 3.2: Célula de carga ATI Delta IP60 [29]

Devido à flange de protecção, a movimentação do penúltimo eixo do robô (quinto eixo) está

limitada aos valores [+ 90, – 90] de modo a assegurar que não haja colisão entre esta e o robô.

3.1.3. Mudança de ferramenta SCHUNK SWS-011

Adaptador de funcionamento pneumático da empresa SCHUNK. Este adaptador (Figura 3.3)

permite o accionamento (através de entradas I/O) do sistema de bloqueio, permitindo a

mudança automática da ferramenta. Para tornar a mudança totalmente automática tem um

sistema que passa ar comprimido por dentro dos adaptadores, podendo controlar-se as funções

da ferramenta (abertura ou fecho de garras por exemplo). O modelo existente é recomendado

para cargas até dezasseis quilogramas sendo adequado para o robô em questão.

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21

Em caso de maquinagem de peças que precisem de grandes forças de corte este mecanismo

pode ser um entrave, já que tem limites de binário que não podem ser ultrapassados com o

risco da ferramenta cair.

Na célula robótica existem vários adaptadores para permitir ter várias ferramentas prontas a

utilizar. A informação do módulo é apresentada no anexo B.

Figura 3.3: Adaptador SCHUNK SWS-011 [30]

A influência destes equipamentos em operações de maquinagem é estuda no capítulo 4.

3.1.4. Mesa posicionadora ABB IRBP C500

A utilização de robôs industriais com configurações revolutas traz grandes vantagens em

termos de mobilidade e flexibilidade, devido ao grande volume de trabalho que possuem.

Porém, para peças de maior dimensão, o volume de trabalho do robô pode não ser suficiente,

utilizando-se um ou mais eixos externos para permitir que a peça fique dentro desse volume

quando é trabalhada. Existem dispositivos que permitem orientar a peça (eixos rotativos) ou

mesas lineares que transladam o robô.

A célula robótica usada conta com uma mesa posicionadora de um eixo rotativo do mesmo

fabricante que o robô, com capacidade de carga de meia tonelada e repetibilidade de 0,05

milímetros. Esta mesa, sendo do mesmo fabricante, permite a total integração na célula,

contando com os drivers da mesa inseridos dentro da caixa do controlador do robô. Pode ser,

através de comandos simples, controlada a partir da consola ou softwares offline.

Esta mesa tem uma divisória central, como visível na Figura 3.4, permitindo a descarga em

segurança de um produto numa extremidade enquanto decorrem trabalhos na outra. É também

indicada para operações de soldadura protegendo o operador da radiação resultante do

processo de soldadura.

Na construção deste tipo de mesas e em particular nesta, são utilizados codificadores

incrementais para medição da posição angular. Este tipo de sensores tem a desvantagem de

não poder estar sem alimentação perdendo, caso isso aconteça, a referência de zero. Para

contornar este facto são usadas baterias que, durante a realização deste trabalho, se

encontravam descarregas obrigando à definição do zero da mesa sempre que o robô era

ligado.

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22

Figura 3.4: Mesa posicionadora IRB C 500 [31]

São apresentadas no anexo C as características da mesa presente na célula.

3.1.5. Controlador ABB IRC5

O controlador IRC 5 é o mais actual e completo da marca ABB. É um sistema modular

permitindo que cada utilizador o defina de acordo com a célula existente, podendo adicionar

novos módulos para acomodar novos robôs ou eixos externos.

A utilização do robô pode ser feita em modo automático com velocidade máxima ou reduzida

e modo manual, operando-se no último caso através da consola.

As principais características que este controlador possui incluem:

Consola de programação (FlexPendant): ecrã táctil com joysitck 3D para movimentação do

robô. A interface pode ser definida pelo operador. Comunica com o controlador por

cablagem.

Movimentação rápida (QuickMove): Baseado em modelações dinâmicas precisas consegue

calcular o menor tempo possível para um determinado caminho.

Movimentação realista (TrueMove): Capacidade de atingir os pontos esperados e, de

seguimento de trajectórias.

Movimentação conjunta (MultiMove): Controlo até quatro robôs ou 36 servomotores a partir

de um único controlador, permitindo a sua sincronização e interacção. É possível a criação de

um referencial móvel num robô e a movimentação sobre esse referencial por outro robô.

Apesar de ser um vídeo com pouco interesse prático submete-se o leitor para a sua

visualização pois permite uma melhor compreensão deste tópico.

http://www.youtube.com/watch?v=SOESSCXGhFo

No anexo D são apresentadas as características deste controlador.

3.1.6. Motor árvore Precision Drive Systems (PDS) XLC 070

Motor árvore de corrente alternada destinado à utilização em operações de maquinagem a alta

velocidade. Vem equipado com um sistema automático de mudança de ferramenta.

As suas características são apresentadas na Tabela 3.1 e as dimensões de atravancamento no

anexo E.

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Tabela 3.1: Características do motor árvore XLC 070

Alimentação [V] 380

Potência [kW] 2.2

Número de pólos 2

Velocidade máxima [rpm] @ frequência [Hz] 40000 @ 667

Velocidade para o binário máximo [rpm] @ frequência [Hz] 24000 @ 400

Peso [kg] 10

A refrigeração do motor assim como do mecanismo que permite a mudança de ferramenta, é

feita através de ar comprimido à pressão de seis Bar. É também possível a instalação de um

jacto de ar direccionado para a ponta da ferramenta, de modo a permitir o seu arrefecimento.

A aparência do motor usado é apresentada na Figura 3.5, excluindo o tubo de arrefecimento

da ferramenta (azul).

Figura 3.5: Motor XLC-070 [32]

É aconselhado pelo fabricante que este motor, pela sua potência, trabalhe com materiais como

espumas, madeiras pouco duras e plásticos. Na utilização em materiais como alumínio,

madeiras duras e plásticos rígidos é aconselhada uma utilização cuidada. Esta lista de

materiais enquadra-se nos materiais usualmente utilizados em aplicação de maquinagem com

robôs.

Devido à sua utilização em meios industriais traz integrados sensores, com vista a uma

utilização mais segura. Tem quatro sensores de proximidade que detectam se o motor está ou

não a trabalhar, se é possível a mudança de ferramenta, se a mesma se encontra bem inserida e

um de redundância entre duas partes móveis do motor. Conta também com dois sensores de

temperatura, um que muda de estado quando a temperatura do estator ultrapassa os 130ºC e o

segundo, num dos rolamentos. A importância da temperatura nos rolamentos prende-se com a

relação que existe entre esta e o estado de funcionamento do motor. É aconselhável que antes

de arrancar com o processo de maquinagem se faça um aquecimento ao motor até que este

atinja uma dada temperatura nos rolamentos [32]. O controlo deste parâmetro permite uma

maior durabilidade do motor. O sinal do sensor de temperatura presente no rolamento não sai

tratado pelo que tem de ser instalado um conversor de sinal para se obter esses valores.

Sendo um motor especificado para trabalhar a altas velocidades, e como referido no capítulo

anterior, o suporte de ferramentas e as ferramentas têm de estar perfeitamente equilibradas

para que não surjam vibrações indesejáveis. O suporte deve ser do modelo HSK-E-32 que é

um suporte de precisão, regulamentado pelas normas ISO e DIN e capaz de aguentar

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velocidades de rotação de quarenta mil rotações por minuto. Na célula robótica existem três

suportes destes, cabendo ferramentas com dimensões compreendidas entre um e treze

milímetros.

Dentro deste suporte leva uma pinça (Collet) que, por aperto vai esmagar a ferramenta e assim

fazer pressão para que esta não caia. Para diferentes diâmetros interiores correspondem

diferentes pinças. Existe na célula, uma com poder de suporte para ferramentas de 5 a 6

milímetros de diâmetro.

A utilização de ferramentas de corte durante a realização deste trabalho foi substituída por

material de escrita, estando as razões desta escolha relacionadas com segurança. Uma

explicação mais aprofundada encontra-se no tópico Sistemas de segurança.

Foram montadas duas canetas nos suportes das ferramentas. Na primeira adaptou-se um

marcador de cinco milímetros de diâmetro, conseguindo-se um comprimento de noventa e

seis milímetros da ponta deste à face do motor.

A segunda caneta adaptada seguiu a mesma ideia, utilizando-se uma caneta de bico fino

(1mm) com uma mola numa extremidade ficando o comprimento final deste conjunto com

cento e quarenta milímetros.

Na Figura 3.6 são apresentados suportes HSK com as canetas que foram adaptadas.

Figura 3.6: Suportes HSK e canetas adaptadas, 1 e 2 da esquerda para a direita

3.1.7. Controlo do motor árvore: variador de frequência DELTA Electronics

VDF037V43

Em motores de corrente alternada existe uma relação entre a velocidade de rotação do rotor

(nr) em rotações por minuto, a frequência da tensão de alimentação (f) em Hertz e o número

de pares de pólos do motor, dada pela equação 1.

(1)

Para se alterar a velocidade de rotação é preciso alterar o número de pólos do motor ou alterar

a frequência da tensão de alimentação. A maneira mais fácil é a alteração do valor da

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frequência da tensão de alimentação sendo por este motivo normal a utilização de variadores

de frequência para efectuar o controlo da velocidade.

O objectivo do variador é transformar as constantes de entrada, tensão e frequência, em

valores variáveis. O seu princípio de funcionamento pode ser descrito por 3 passos, sendo

eles:

Transformação da tensão alternada de entrada em tensão contínua;

Filtragem da tensão;

Transformação da tensão contínua em tensão alternada variável.

A primeira transformação é feita recorrendo a díodos e a segunda recorrendo a transístores.

Estes (transístores) funcionam de uma maneira bi-estável e, da relação tempo ligado /tempo

desligado (Ton/Toff) surge a frequência desejada e consequentemente a variação da

velocidade do motor [33].

Estes aparelhos são eficientes tendo perdas de apenas 5 a 10% devidas ao efeito térmico

proveniente da comutação dos transístores centenas de vezes por segundo.

O variador usado é recomendado para motores de potência não superior a 3,7 kW aceitando

comunicações através da consola embutida, onde todas as funções estão disponíveis, não

trazendo por isso, nenhum sistema de segurança a não ser o bom senso do utilizador. Permite

ligação cabladas e por comunicação série através de uma porta RS485 podendo ser integrado

numa rede industrial do tipo master-slave [34]. Nestas últimas ligações já se consegue integrar

os sensores do motor de modo a que se crie um sistema à prova de falhas (fail-safe). A

definição de parâmetros é feita através de registos, estando divididos em 12 grupos contendo

cada um várias opções.

3.1.8. Interfaces de ligação motor/robô

Antes de se falar dos passos seguidos para o projecto e criação das interfaces, convém

explicar o porque de ser o robô a transportar a ferramenta. Existem casos (como por exemplo

lixagem ou rebarbagem) em que o robô transporta a peça em vez da ferramenta. O transporte

da peça pelo robô, obrigava a que fossem criadas duas interfaces: uma para fixar o motor à

mesa posicionadora e a segunda que segurasse a peça ao robô. Além de um maior custo, a

segunda interface causaria problemas. A gama de materiais utilizados não permite que sejam

exercidas forças de aperto excessivas, deixando de garantir um bom toleranciamento. Pode-se

ainda dizer que, no software de CAD/CAM utilizado, esta opção aparece apenas de uma

maneira demonstrativa, escolhendo-se pelos motivos referidos utilizar o robô para manipular

a ferramenta.

A ligação do motor ao robô não pôde ser feita directamente uma vez que acoplado ao robô

encontrava-se uma célula de carga e um dispositivo de mudança de ferramenta. Mesmo

admitindo que este (mudança automática) não trazia nenhuma limitação de binário para a

realização da tarefa, a mudança de motor para outro tipo de garra não pode ser feita

automaticamente uma vez que traz sempre associado a participação de um operador, pois

possui cabos de ligação (potência e segurança). A escolha de se deixar ficar este dispositivo

foi feita a pensar na utilização futura do robô em termos didácticos. A alteração de garras fica

assim mais rápida e fácil.

A interface a projectar e construir tem pois que permitir ligar o motor árvore ao dispositivo de

mudança automática.

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A utilização de robôs para processos de maquinagem tem sido feita em famílias de produtos

pouco diversificadas (aplicações dedicadas) não se tendo encontrado informação relativa à

orientação que o motor árvore deve ter, em relação ao elemento terminal do robô, para

aplicações genéricas. Nas interfaces a projectar havia uma total liberdade de definição dos

valores de posicionamento e orientação, do motor árvore em relação à flange, a menos das

limitações impostas pela capacidade de carga do robô.

A capacidade de carga de um robô é dada pela conjugação entre o valor do momento máximo

permitido e a distância (braço) ao centro de gravidade do conjunto de acessórios acoplados.

Para um conjunto de acessórios com um determinado peso a alteração da sua posição em

relação à flange do robô provoca uma variação do momento aplicado, reflectindo-se na

capacidade do robô o transportar.

A relação existente entre a distância do centro de gravidade da ferramenta ao elemento

terminal do robô e o seu peso é apresentado na Figura 3.7. No eixo das ordenadas tem-se o

valor segundo z dessa distância e no das abcissas o valor segundo o plano XY. Este gráfico

fornece para vários pesos a área em que o centro de gravidade do conjunto de acessórios

acoplados tem de estar, para ser possível cumprir os valores anunciados de aceleração e

velocidade disponibilizados pelo fabricante do robô.

Figura 3.7: Relação distância ao centro de gravidade da ferramenta e peso [35]

Como seria de se esperar o aumento do peso da ferramenta faz com que o binário máximo

seja atingido para braços mais pequenos. O conjunto a utilizar não ultrapassa os doze

quilogramas pelo que deve ter o seu centro de gravidade dentro da área sombreada.

Ainda dentro deste assunto, é relevante dizer-se que a alteração da distância do centro de

gravidade (por adição de acessórios por exemplo) pode, dependendo das situações, traduzir-se

em vantagens. Na Figura 3.8 apresenta-se um exemplo onde a adição de dispositivos

intermédios se torna vantajosa. Se a limitação dos eixos do robô só permitir o trabalho até à

linha verde a utilização de um conjunto maior (distância ao centro de gravidade) possibilita

um incremento segundo z (ΔZ).

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Figura 3.8: Influência do tamanho da ferramenta na movimentação do robô

A influência da alteração do centro de gravidade está dependente da geometria a trabalhar e

das configurações que, o robô tem, para seguir os caminhos de maquinagem criados.

O projecto das interfaces a construir não visava o trabalho em peças da mesma família, pelo

que se escolheu manter a distância ao centro de gravidade o mais próximo possível da flange

do robô.

A orientação do motor árvore em relação à flange do robô provoca, por vezes, uma alteração

no ponto central da ferramenta. Este ponto é decisivo na capacidade do robô seguir uma

trajectória definida.

A orientação pode ser definida como a rotação aplicada, a cada um dos eixos, de um

referencial cartesiano, tendo-se estudo a influência de cada eixo separadamente.

Rotação segundo xx: na Figura 3.9, está ilustrada a comparação entre um conjunto

interface/motor sem rotação e um onde se aplicou uma rotação segundo o eixo dos xx. De

modo a tornar-se mais claro, o desenho da interface sem rotação, foi feito de maneira a

posicionar o motor a noventa graus face à flange do robô.

Figura 3.9: influência da rotação segundo o eixo dos xx

Da análise de soluções utilizadas nas empresas, verificou-se um certo padrão na utilização dos

valores de noventa graus e de trinta graus para a orientação provocada pela rotação do eixo

dos xx. Optou-se por projectar essas duas soluções.

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Rotação segundo yy: na Figura 3.10, está ilustrada a comparação entre um conjunto

interface/motor sem rotação e um onde se aplicou uma rotação segundo o eixo dos yy.

Figura 3.10: influência da rotação segundo o eixo dos yy

A utilização de uma flange na célula de carga condicionou a escolha da orientação provocada

pela rotação do eixo dos yy. Se o motor estiver alinhado com a flange, em caso de colisão

com o robô, a flange protege o motor como se apresenta na Figura 3.11. Esta orientação tem,

também, a vantagem de não provocar mais limitações nas juntas do robô.

A nível construtivo verificou-se que a fabricação da interface ligeiramente (cinco graus)

desalinhada da flange permitia o mesmo nível de protecção e tornava a produção da interface

mais simples.

Figura 3.11: Orientação segundo o eixo dos yy do motor árvore face à flange da célula de carga

Devido à simetria da interface projectada, a orientação do motor árvore, pode tomar os

valores de mais, ou menos, cento e oitenta graus.

Rotação segundo zz: na Figura 3.12, está ilustrada a comparação entre um conjunto

interface/motor sem rotação e um onde se aplicou uma rotação segundo o eixo dos zz.

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Figura 3.12: influência da rotação segundo o eixo dos zz

A orientação provocada pela rotação deste eixo altera a posição do ponto central da

ferramenta, mesmo assim, optou-se por utilizar um valor nulo nesta rotação de modo a não

dificultar o projecto das interfaces a criar. A utilização de um valor nulo para esta rotação,

permite também simplificar o processo de análise da influência destas orientações.

O software usado para efectuar todos os desenhos e montagens dos conjuntos foi o Autodesk

Inventor R10. Após os desenhos finais das interfaces [Anexo F e G] decidiu-se que para o

objectivo deste trabalho uma única interface seria suficiente, adaptando-se os desenhos de

peças a construir a essa interface. A escolha recaiu na interface que posiciona o motor

perpendicularmente ao elemento terminal do robô. Na Figura 3.13 está apresentada a interface

criada

Figura 3.13: Interface criada

Como referido, a interface criada permitia a orientação do conjunto de acessórios de duas

maneiras (+/- 180°), tendo-se escolhido montar o motor com a extremidade da ferramenta a

apontar no sentido contrário da flange de protecção. Na Figura 3.14 encontra-se o elemento

terminal do robô com o conjunto de acessórios e ferramenta (caneta) agarrados.

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Figura 3.14: elemento terminal do robô completo

3.1.9. Sistemas de segurança

A segurança é o factor comum e de extrema importância em todas as instalações industriais.

A falta dela traz multas elevadas e riscos para operadores e máquinas. Numa célula robótica,

onde se encontram equipamentos em movimentação, tem de existir um perímetro de

segurança que, com redundância, proteja e separe os operadores da célula. Esse perímetro é

usualmente constituído por barreiras físicas do género “jaula” com uma entrada, estando esta

controlada por sensores de movimento. Em caso mais actuais a utilização de vigilância por

laser ou sistemas de visão artificial também é possível.

A nível de segurança a célula robótica existente não tem as barreiras físicas montadas e as

cortinas de luz, embora funcionais, não estão a ser utilizadas para protecção. O acesso a

botões de emergência está disponível na consola de programação e no controlador do robô.

Apresenta-se na Figura 3.15 um exemplo de uma célula robótica segura e na Figura 3.16 a

célula robótica usada.

Figura 3.15: Exemplo de uma célula robótica segura [36]

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Figura 3.16: Célula robótica utilizada

A consola de programação tem um sistema adicional de segurança conhecido por botão do

homem morto. Quando, em modo manual, se pretende accionar a passagem de potência para

os motores é obrigatório exercer uma pressão ligeira sobre esse botão. O funcionamento do

botão está preparado para que em caso de choque eléctrico, associado a uma contracção dos

músculos e a uma maior pressão no mesmo, a emergência seja activada. O mesmo também

acontece se a pressão exercida for menor que a esperada.

O tempo disponível para a realização deste trabalho não permitiu a integração do controlador

do motor árvore através de lógica cablada ou comunicação série. Como estas duas ligações

eram as únicas que permitiam o controlo do motor e a utilização dos sensores presentes no

mesmo, assim como de outros meios de segurança, escolheu-se não utilizar ferramentas

cortantes nos testes realizados. A ligação do motor através da consola do variador e o estado

das barreiras físicas traziam grande perigo para os utilizadores e para os componentes da

célula. A utilização de canetas em vez de ferramentas de corte torna possível a demonstração

e obtenção dos objectivos com um coeficiente de segurança grande.

Ainda assim, na segunda caneta adaptada foi criado um sistema com uma mola que permite

acomodar erros de posicionamento caneta/papel.

3.2. Célula robótica virtual

Sendo o objectivo principal deste trabalho a programação offline de robôs para tarefas de

maquinagem, é indispensável a modelização dos componentes da célula real no meio virtual.

A célula tem de estar definida no software de CAD/CAM escolhido, MasterCam /

Robotmaster. Depois de simulada neste software o programa gerado pode ser transferido

directamente para o controlador do robô. No entanto, escolheu-se utilizar como meio de

verificação o software de programação offline da marca proprietária do robô (robotstudio).

Neste subcapítulo apresentam-se os processos seguidos para conseguir modelizar a célula nos

softwares utilizados. Nestes softwares a definição da caixa do controlador e das grades de

segurança não é importante uma vez que estes não limitam a movimentação do robô não

havendo risco de colisão.

Todo o trabalho foi realizado num computador Intel® Core™2 Duo, modelo E7500

(2.94GHz) com 4 Gigabytes de memória disponível. O sistema operativo instalado é o

Microsoft Windows 7 versão 32bits.

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Em nenhum dos softwares utilizados foi limitada a amplitude do penúltimo eixo do robô

(devido à flange), obrigando a uma atenção redobrada na visualização das simulações criadas.

O primeiro passo para a criação dos componentes a acoplar ao robô, em qualquer dos

softwares, é a sua modelação e montagem a nível virtual. A realização deste passo já tinha,

em parte, sido feita aquando do desenho das interfaces robô/motor, para se confirmar se todas

as ligações e orientações estavam correctas. Este aspecto permitiu passar directamente para o

processo de transformar os desenhos em equipamentos que pudessem ser ligados ao robô.

Uma observação importante de ser feita prende-se com o facto de, quando se fez a modelação

dos equipamentos não estarem, ainda, definidas as ferramentas a utilizar. O conhecimento dos

softwares permitiu saber que a adição de geometrias (para testar problemas de colisão) era

acessível (como será explicada mais à frente neste relatório).

Antes da explicação passo a passo do processo de criação é preciso mencionar que o mesmo

foi feito iterativamente. A primeira modelação dos equipamentos ligados ao robô demonstrou

que os mesmos, para um valor de zero nas juntas do robô, não se encontravam numa posição

igual à célula real. A maneira encontrada para descrever este posicionamento passou pela

medição da horizontalidade do motor, com um nível, recorrendo apenas à movimentação da

última junta do robô. A realização dessa experiência mostrou que o motor, para ficar na

horizontal, tinha de ter a sexta junta com vinte e dois graus. Sabendo-se este valor foi possível

recriar os equipamentos virtualmente.

Na célula real foi construída uma de duas interfaces. Em meio virtual, criaram-se as duas

interfaces projectadas com o objectivo de, no capítulo 4, se testar a influência das orientações

no seguimento de determinados caminhos de maquinagem.

Em cada uma das interfaces havia a possibilidade de se montar o motor árvore em duas

posições diferentes, traduzindo-se num total de quatro acessórios a modelar. A nomenclatura

utilizada para distinguir estes acessórios assim como a sua orientação em relação à flange do

robô encontram-se na Tabela 3.2.

Tabela 3.2: Nomenclatura utilizada para os diferentes acessórios utilizados

Nomenclatura utilizada

Rotação segundo o eixo dos xx

[°]

Rotação segundo o eixo dos yy

[°]

90 graus 1 90 0

90 graus 2 90 180

30 graus 1 30 0

30 graus 2 30 180

3.2.1. Modelação em Mastercam/Robotmaster

A utilização da versão mais actual de um programa ainda em grande fase de desenvolvimento,

potencia sempre melhores ferramentas de trabalho e menores problemas. Neste software, o

espaço temporal de realização deste trabalho coincidiu com uma época de renovação. Na data

de início a versão mais actual era a X4, sabendo-se que a versão seguinte sairia em poucos

meses. Assim aconteceu e dias antes da entrega deste relatório foi instalada a versão mais

actual do software, a X5. Como se começou com a realização de simulações e testes na versão

X4 escolheu-se utilizar esta versão até ao fim e tirar, sobre ela, algumas conclusões. É de

referir que com a nova versão já no mercado alguns dos erros encontrados possam

provavelmente já não existir.

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A definição dos acessórios neste software, teve como base de partida os desenhos de conjunto

em formato “.iam” (Autodesk Inventor Assembly) e no formato neutro “.Sat”. Como referido

a posição do motor face ao elemento terminal do robô pode ter dois sentidos em cada

interface criada. Foram por isso modelados quatro acessórios relativos às quatro possíveis

combinações, seguindo-se sempre o mesmo processo de construção.

Da pesquisa efectuada descobriu-se que a criação de acessórios para ligar ao robô, neste

software, podia ser realizada de duas formas diferentes:

A primeira maneira foi encontrada numa página Web da Universidade de Harvard

(www.harvard.edu) que remetia para um ficheiro em Word em forma de tutorial, datado do

ano de 2008. A segunda, fornecida pelo revendedor deste software, continha uma expansão

para o Robotmaster de nome End Effector Tool e um tutorial datado do ano 2010.

Explica-se de uma forma simplificada o processo de criação para cada um dos métodos:

A forma de funcionamento do primeiro método passa pela edição dos ficheiros de dados dos

acessórios pré-definidos no Robotmaster. A definição de um acessório é composta por dois

ficheiros: um referente à geometria do acessório no formato neutro STL e um referente às

configurações do acessório que inclui a localização e orientação do ponto central da

ferramenta (Tool Center Point). Estas informações são gravadas num ficheiro XML. A

utilização deste método tem a vantagem de ser mais simples, perdendo essa vantagem se a

edição de ficheiros XML for um assunto pouco dominado. Requer também o cálculo prévio

da orientação e posição do ponto central da ferramenta o que por vezes pode tornar-se

complicado.

O segundo método requer a instalação de uma aplicação para o Robotmaster. Este programa

adiciona um novo menu à janela principal do Mastercam que permite a criação do acessório.

Os passos precisos para poder criar um acessório correctamente segundo este método são:

Atribuição de nomes aos diferentes constituintes do ficheiro importado;

Posicionamento da base do acessório no ponto zero do referencial com a orientação

desejada;

Criação de um segmento de recta com a orientação desejada para o eixo z do

referencial do ponto central da ferramenta (normal à superfície da ferramenta);

Depois destes passos o acesso ao menu pode ser feito. Dentro do menu é tirada

automaticamente uma fotografia que irá aparecer na tabela de selecção de acessórios para

ligar ao robô. No último passo é escolhida a maneira desejada para a definição dos

referenciais da ponta da ferramenta, existindo três possibilidades:

2 Pontos: definição do eixo z, normal à superfície;

3 Pontos: definição do eixo z e do eixo x. Esta maneira obriga à criação de um

segmento para o eixo z e, partindo da mesma origem, de um para o eixo x;

Valores do robô: utilizado no caso de já se conhecerem os valores presentes na célula

real. É preciso definir o posicionamento e orientação do referencial.

Na utilização de dois pontos, o software automaticamente dispõe os restantes eixos.

Ao criar-se acessórios segundo o método de dois e de três pontos notou-se que a diferença

obtida era a rotação do plano xy segundo o eixo dos zz. Quando se fixa a orientação do eixo

dos xx a orientação do eixo dos yy é conhecida pela regra da mão direita. No caso da

disposição automática do software o eixo trancado é dos yy ficando por isso rodado segundo z

em relação ao outro método.

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34

Os quatro acessórios foram criados segundo o método de dois pontos, estando apresentados

na Figura 3.17. Optou-se por criar numa das geometrias um quinto acessório usando o método

dos três pontos, para ser possível testar se a rotação dos eixos interfere ou não, na realização

dos percursos de maquinagem. O quinto acessório é igual ao 90 graus 1, mudando apenas a

orientação do referencial do ponto central da ferramenta, pelo que não é referido na Figura

3.17.

Figura 3.17: Acessórios criados no software Robotmaster

Depois de criados, os acessórios ficavam disponíveis na janela de simulação ligados ao robô

com a posição correcta.

A modelação da mesa posicionadora no ambiente do Mastercam/Robotmaster apenas tem

interesse para a determinação de eventuais colisões com o robô, uma vez que a mesa não será

utilizada activamente. Como o software não possui na sua biblioteca mesas do fabricante

ABB, optou-se por identificar na célula real qual o posicionamento do plano da mesa e

posicionar as peças a simular sempre acima desse plano.

3.2.2. Modelação em Robotstudio

Como referido, o uso deste software não era necessário. A sua utilização permite no entanto a

confirmação dos traçados gerados pelo Robotmaster não adicionando custos ao conjunto de

programação offline, uma vez que é concedida uma licença de utilização gratuita.

A utilização deste software como confirmação e não o inverso deve-se ao facto deste conter

uma modelação perfeita do controlador utilizado na célula real, garantindo que os traçados

que corressem neste software correriam no robô, salvo erros de modelação da célula.

Ao contrário do que acontece no software Mastercam/Robotmaster, a importação dos modelos

tem de ser feita através de um formato neutro (.SAT) não sendo permitida a importação

directa de conjuntos (.IAM) do software de CAD usado.

A actualização deste software (Robotstudio) acontece frequentemente, estando a caminhar a

interface com o utilizador para a configuração utilizada nos programas do Microsoft Office.

Na realização deste trabalho foram usadas as versões 5.13 e 5.14 havendo compatibilidade

entre elas.

Este software tem de raiz uma aplicação que permite a criação de acessórios ou mecanismos

(eixos externos) possibilitando uma melhor e mais fácil transição da célula real para a virtual.

Os passos seguidos para a construção dos 4 acessórios foram:

Posicionamento da base do acessório no ponto zero do referencial com a orientação

desejada;

Criação de um referencial com a orientação desejada para o ponto central da

ferramenta.

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A utilização desta aplicação é de rápida compreensão, tendo apenas de se seguir os passos

indicados e o acessório fica automaticamente construído. Ao contrário do que acontece no

software Robotmaster, é preciso guardar o acessório na biblioteca de ferramentas para passar

a ser sempre possível a sua utilização.

Uma vez que não existe um processo automático de orientar os eixos do referencial do ponto

central da ferramenta, neste software escolheu-se alinhar o eixo dos xx ficando o eixo dos yy

definido pela ortogonalidade entre eles. A não criação de outro conjunto de acessórios com os

referenciais rodados deveu-se ao facto de ser mais fácil realizar simulações no software

Robotmaster deixando para esse, o estudo da influência dos referenciais. Apresenta-se na

Figura 3.18 os quatro acessórios criados neste software.

Figura 3.18: Acessórios criados no software Robotstudio

Uma diferença grande notada entre softwares é o nível de detalhe necessário à caracterização

dos acessórios. Durante o processo de criação de acessórios, neste software é pedida a

informação do peso, centro de gravidade e momentos de inércia, o que não acontecia no

Robotmaster.

A utilização da mesa posicionadora assim com dos elementos de segurança neste software é

facilitada, uma vez que sendo da marca proprietária, os disponibiliza na biblioteca.

Apresenta-se na Figura 3.19 a célula robótica criada. Também neste software a

implementação das grades de segurança e do armário do controlador não é obrigatório uma

vez que não há risco de colisão entre o robô e esses componentes.

Figura 3.19: Célula robótica criada no software Robotstudio

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Com a célula robótica real definida no meio virtual iniciaram-se as simulações (testes

virtuais), tendo em mente dois objectivos distintos. Testar a influência que a orientação dos

acessórios e a posição do referencial da peça têm, na capacidade do robô seguir os caminhos

de maquinagem e simular casos práticos, que pudessem ser recriados na célula robótica

existente. Neste capítulo descrevem-se os estudos realizados para melhor compreender os

factores que influenciam a capacidade do robô, deixando para o capítulo 5 as simulações dos

testes práticos.

Para o efeito do estudo, decidiu-se considerar uma peça com geometria regular, tendo nas

suas faces definidos traçados de maquinagem. O teste consiste na verificação da capacidade

do robô em atingir todos os pontos dos percursos definidos alterando-se tanto a posição da

peça como o acessório acoplado ao robô.

A escolha de uma geometria fixa, para a realização destes testes, deveu-se ao facto de ser

impossível, no âmbito deste trabalho, fazer o estudo para várias geometrias. Na Figura 4.1

está ilustrada a realização de um teste. Como é possível ver, a adição de incrementos em cada

eixo já torna o teste muito extenso, impossibilitando assim, o estudo de mais geometrias.

Figura 4.1: Trabalho na face frontal e de retaguarda vs posição da peça.

A peça escolhida para a realização destes testes foi um cubo com trezentos milímetros de

aresta, onde quatro das seis faces tinham caminhos de maquinagem. A escolha de apenas

quatro faces deve-se com o facto de, pelo menos, uma delas ser utilizada para fixação.

A segunda face não considerada ilustra a dificuldade que, normalmente, existe em maquinar

duas faces opostas. Pensando numa peça relativamente grande em comparação com o robô

percebe-se que para maquinar a face frontal é preciso posicioná-la de maneira a que o robô

tenha espaço de se movimentar sem haver colisões. Nesse mesmo posicionamento a

maquinagem da face oposta é impossível porque já fica fora do volume de trabalho do robô. O

4. Análise de factores que influenciam a capacidade do robô seguir um trajecto de maquinagem

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mesmo acontece com as faces laterais, numa peça grande ou com geometrias complexas. Para

se maquinar uma das laterais é preciso posicionar a peça deslocada do centro do robô, não

tendo depois capacidade de maquinar a face mais afastada. Existem casos em que a

maquinagem das várias faces é possível mas, tem se conseguir ter um posicionamento que o

permita, ou ter uma peça de dimensões reduzidas em comparação com o volume de trabalho

do robô.

Na Figura 4.2 está um caso em que a maquinagem na face posterior é impossível porque há

colisão do motor com o robô. Neste posicionamento facilmente se trabalha a face oposta.

Figura 4.2: Colisão devido ao posicionamento

Apresentam-se na Figura 4.3 as faces escolhidas, na ordem pela qual se realizaram os testes, e

o posicionamento e orientação do referencial da peça.

Figura 4.3: Faces escolhidas para a realização de testes

Para a realização deste teste considerou-se que a utilização de um produto não simétrico, em

relação aos traçados de maquinagem de cada face, tem vantagens porque permite conjugar os

vários movimentos de interpolação do robô e permite que o tratamento feito a esses traçados

no software CAD/CAM seja reutilizado nos testes reais. As geometrias foram desenhadas no

software de CAD Autodesk Inventor sendo editadas dentro do Mastercam/Robotmaster.

Apresenta-se na Figura 4.4 o desenho das geometrias a maquinar (zonas a castanho) e as

respectivas faces onde se encontram.

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Figura 4.4: Geometrias criadas e respectivas faces

A técnica de maquinagem escolhida foi a de desbaste de espaços fechados (Pocket) simulando

a realidade e passando numa quantidade superior de pontos do que utilizando a opção de

acabamento. As opções escolhidas para a entrada da ferramenta na peça, número de passagens

de desbaste e de acabamento não são analisadas neste capítulo, deixando-se essa análise para

o capítulo 5. Apresenta-se na Figura 4.5 os traçados criados dentro das geometrias. As linhas

amarelas dizem respeito aos movimentos de aproximação.

Figura 4.5: Trajectórias criadas nas geometrias

Para os ciclos de maquinagem serem mais curtos os pós-processadores usam a movimentação

de junta durante a aproximação à peça, trazendo por vezes colisões entre o robô e a peça. Este

problema é facilmente contornado com a criação de pontos externos (analisados no capítulo 5)

garantindo que o robô, desse ponto até à zona de aproximação, não colide com a peça.

Como neste teste o uso de acessórios não é fixo, a criação desses pontos teria de ser feita para

todos eles, aumentando significativamente o tempo de realização. Como estes pontos não são

o objectivo deste teste foram eliminados analisando-se só a capacidade do robô, com certo

acessório, conseguir ou não realizar o traçado de maquinagem criado.

A obtenção de uma configuração válida para o seguimento de uma certa trajectória por parte

do robô segue um conjunto de passos, muitas vezes iterativos. Esses passos não são mais que

uma reorientação da ferramenta, recorrendo ao último eixo do robô que, nestes tipos de

softwares, funciona como um eixo redundante.

O primeiro passo a realizar é a escolha da configuração que a ferramenta deve tomar, estando

esta escolha associada ao tipo de maquinagem a fazer. O seguimento de um contorno traz

diferentes necessidades de rotação da ferramenta comparada com a maquinagem de uma face

plana (dois eixos e meio) e o mesmo acontece para maquinagens mais complexas (cinco

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eixos). Para permitir que o software funcione com sucesso existem opções que cobrem os três

casos atrás descritos. Devido à limitação que o robô tem de, em movimentos consecutivos,

rodar mais de 90 graus, é possível na janela de selecção alterar a rotação da ferramenta,

permitindo esta alteração que se passe, em alguns casos, de uma situação de impedimento por

limite das juntas para o sucesso.

O segundo passo faz uso de uma janela gráfica que permite ao utilizador ver se o caminho vai

ou não ter sucesso. Esta janela pode ser um substituto à simulação uma vez que permite

detectar possíveis colisões, limites de juntas, pontos de singularidade, pontos em que o

alcance do robô não é suficiente entre outros. Porém a principal vantagem desta janela é

permitir alterar de uma forma simples a trajectória e contornar assim alguns pontos não

desejados.

Com os traçados e configurações do robô definidas foram realizadas as simulações.

Para testar a influência do posicionamento e orientação do referencial peça em relação ao

robô, escolheram-se realizar três testes, apresentando-se na Tabela 4.1 os valores utilizados

para o referencial da peça.

Tabela 4.1: Posicionamento e orientação do referencial da peça

Número do teste

Posição [mm] Orientação [°]

X Y Z Rx Ry Rz

1 850 -150 1050 0 0 0

2 950 150 900 0 0 0

3 950 150 900 0 0 30

Este estudo podia ser feito com um acessório mas, uma vez que se queria testar todos os

acessórios projectados, optou-se por realizar para cada acessório três testes (um teste em cada

referencial).

Como os resultados obtidos para os três referenciais foram iguais, compilou-se a informação

obtida, estando apresentada na Tabela 4.2. Quando a célula da tabela se encontra com o

símbolo de correcto significa que o conjunto robô/acessório conseguiu realizar o caminho

respectivo.

Tabela 4.2: Resultados dos testes de orientação

Acessório Face 1 Face 2 Face 3 Face 4

30 graus 1 Colisão robô/peça Colisão robô/peça Colisão robô/peça Colisão robô/peça

30 graus 2

90 graus 1 (Z)

90 graus 1(X,Z)

90 graus 2

Embora se tenham obtido os mesmos resultados para cada teste, a sua execução não era

exactamente igual. As diferenças encontradas são relativas à maior ou menor necessidade de

ajustar a rotação da ferramenta e da proximidade a pontos impeditivos.

O acessório 30 graus 1 não permite que o traçado se realize porque o referencial centro da

ferramenta fica muito próximo de um elo do robô o que faz com que haja colisão entre o robô

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e a peça. Este acessório não provoca limitações a nível dinâmico, tendo-se conseguido

simulações sem colisão com o uso de ferramentas mais compridas.

Nos acessórios 90 graus o sentido da ferramenta pode ser atingido com o mesmo acessório

fazendo rodar o elemento terminal cento e oitenta graus, explicando a razão dos mesmos

resultados nos testes realizados. Embora neste teste não aconteça, esta situação, pode ser

impeditiva num caso em que essa rotação, somada à rotação necessária para maquinar, atinja

os limites da junta.

A comparação dos dois acessórios de 90 graus 1 com definições diferentes do referencial de

centro da ferramenta causou diferentes configurações no robô para a face três, como se pode

ver na Figura 4.6. Se em vez de considerar um sistema sem restrições, fosse usada a célula

existente (limitada no penúltimo eixo) não era exequível o traçado utilizando a ferramenta

definida por um referencial.

Figura 4.6: Influência da definição de um ou dois referenciais

Os resultados destes testes mostraram que para uma peça relativamente pequena ou com faces

dentro do volume de trabalho do robô a utilização de diferentes interfaces é garantida pela

capacidade do robô atingir o mesmo ponto de diferentes maneiras.

É interessante revelar que a nova versão do software Mastercam/Robotmaster (X5) tem uma

aplicação que permite de uma forma gráfica bastante intuitiva estudar diferentes soluções de

posicionamento relativo peça/robô. Na Figura 4.7 apresenta-se um exemplo da utilização

dessa janela, podendo ver-se a laranja a peça, no lado direito estão acessíveis menus que

permitem alterar o posicionamento e ver se os caminhos definidos são exequíveis.

Figura 4.7: Janela de posicionamento do Robotmaster X5

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Com o estudo sobre a influência das orientações das interfaces e posição do referencial peça

feito e conclusões obtidas, neste capítulo expõem-se as simulações feitas, como passo

intermédio, antes de passar para a aplicação na célula existente. Devido às limitações da

célula, o conjunto utilizado, em todos os testes descritos a partir deste ponto, é 90 graus 1,

sendo o referencial do ponto central da ferramenta definido com o eixo z e x.

Estas simulações serviram de base à realização dos testes reais, havendo uma interacção dos

dois, com o objectivo de se melhorar o resultado final. A realização de uma simulação era

seguida da aplicação na célula real onde, caso surgissem erros, era corrigida e o ciclo

começava de novo. De modo a tornar este texto mais estruturado apresentam-se apenas as

simulações finais, mencionando, se importante, a causa e resolução dos erros.

Dentro dos subcapítulos seguintes expõem-se as simulações realizadas e algumas explicações

dos parâmetros escolhidos. É de referir que por motivos de segurança não se utilizou uma

ferramenta de corte nos testes reais, fazendo com que a definição de muitos dos parâmetros de

maquinagem não seja relevante ou que a sua alteração não se traduza numa mudança dos

resultados práticos.

5.1. Teste 1

Como referido, a utilização de um cubo com um número grande de traçados de maquinagem

na realização do capítulo anterior tinha como objectivo o aproveitamento do mesmo para estas

simulações. O cubo usado tinha as arestas com trezentos milímetros de comprimento e estava

posicionado segundo os valores apresentados na Tabela 5.1.

Tabela 5.1: Posição e orientação da peça no primeiro teste

Posição [mm] Orientação [°]

X Y Z Rx Ry Rz

850 -150 1050 0 0 0

Neste primeiro teste, e pelo número de pontos que originava ao pós processar, escolheu-se

fazer apenas uma operação de desbaste deixando-se outras operações para testes posteriores.

Devido ao desenho da peça e geometrias a trabalhar as operações de maquinagem são

exequíveis com dois eixos sincronizado, ou seja, para realizar estas geometrias a ferramenta

trabalha num único plano, criando a profundidade com um movimento entre passagens

segundo z. Aliando este facto à geometria das faces, a escolha da operação de desbaste para

geometrias fechadas (Figura 5.1) pareceu acertada, tendo sido realizada para todas as faces.

5. Testes na célula virtual

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Figura 5.1: Exemplo de operação de maquinagem de espaços fechados

Antes de analisar os resultados da simulação apresentam-se alguns dos parâmetros escolhidos,

e a sua explicação para esta operação.

Entrada na peça (Entry motion): Dependendo do tipo de fresa utilizada este parâmetro pode

ser modificado, existindo três opções: hélice, rampa ou sem entrada. Apresenta-se um

exemplo destas três opções na Figura 5.2. Na realização do primeiro teste utilizou-se a entrada

em hélice.

Figura 5.2: Parâmetros de entrada

Maneira de desbaste (Roughing): a alteração deste parâmetro proporciona resultados de

acabamento e tempo de ciclo diferentes, consoante o material a trabalhar e a ferramenta

escolhida. No caso de estudo, a alteração apenas mostrava diferentes maneiras de criar o

caminho. Escolheu-se para esta primeira simulação a criação de um traçado linear de acordo

com a geometria (Zigzag). Apresenta-se na Figura 5.3 esse traçado aplicado na face 1.

Figura 5.3: Caminho de desbaste linear

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Sendo uma operação de desbaste, a geometria final não corresponde às dimensões do desenho

original. Esta operação serve para fazer uma ”limpeza” do material excessivo antes de se fazer

uma passagem final, não levando a ferramenta até aos limites da peça. A diferença que fica

entre a face a trabalhar e a pretendida é igual ao diâmetro da ferramenta escolhida. O terceiro

teste realizado focou esse assunto, deixando-se para esse tópico uma explicação mais

detalhada.

Parâmetros de ligação (linking parameters): Estes parâmetros regulam as distâncias de

segurança que se quer ter na aproximação rápida, na mudança de traçado, a altura a que o

bloco se encontra e a profundidade. Para melhor compreensão apresenta-se na Figura 5.4 um

esquema com as distâncias possíveis de escolha. Dentro do parâmetro profundidade é possível

escolher passagens de remoção por camadas, em casos em que a geometria ultrapasse a altura

de material que a fresa consegue retirar. Na realização destes testes, como a reprodução ia ser

feita sem possibilidade de criar profundidade, escolheu-se um valor unitário para esse

parâmetro evitando assim que a ferramenta exercesse uma força excessiva sobre a superfície.

Figura 5.4: Parâmetros de ligação

Os parâmetros expostos podem conter valores absolutos, medidos a partir do ponto de origem,

ou incrementais sendo medidos desde a posição do último ponto.

Velocidade de avanço: Existe a possibilidade de ter a velocidade definida pela operação ou

manualmente (dentro da gama de velocidades do robô). A primeira simulação foi feita com

velocidades definidas pela operação mostrando-se bastante lenta. Usam-se nas simulações

seguintes uma velocidade definida manualmente de 80 m/s.

Na primeira simulação feita observou-se que a movimentação rápida do robô até ao ponto de

aproximação/retiro era feita em interpolações de junta provocando uma colisão entre o

conjunto robô/ferramenta e a peça. Para contornar estes problemas o software Robotmaster

permite a criação de pontos de aproximação, permitindo que a movimentação seja livre de

colisões.

Pontos de aproximação/retiro: A criação destes pontos segue um caminho não muito usual,

trazendo algumas dificuldades no início da sua utilização. Normalmente, para criar pontos, a

informação fornecida é relacionada com a posição e orientação desejada, sendo internamente

calculados (por cinemática inversa) os valores das juntas. Neste software a criação de pontos

segue o inverso do “normal” sendo preciso fornecer os valores das juntas. A utilização da

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funcionalidade da simulação, visualização e alteração dos valores das juntas, foi usada para

contornar a dificuldade de saber para que valores de junta o robô se encontra no ponto

desejado.

A criação destes pontos variava de dificuldade conforme as faces, na face um e dois a rotação

do primeiro eixo foi suficiente para se obter uma simulação sem colisões. Já para a face três

foram utilizados os valores das juntas para o ponto de aproximação e depois alterados

segundo a junta um. Na face quatro não foi preciso o uso destes pontos.

Depois da simulação correcta foram pós-processados os ficheiros relativos às 4 faces, com o

marcador (ferramenta adaptada um) como substituto à ferramenta de corte, surgindo algumas

informações que são de salientar.

A criação dos ficheiros é feita com a extensão “.Mod”, que é aberta no Rapid (linguagem de

programação do robô) como um módulo. O nome deste módulo é definido pelo nome dado ao

ficheiro de comando numérico seguido do nome “main”. Como não é possível gravar-se um

ficheiro sem nome, existe a necessidade de criar um programa em Rapid de nome “Main”.

O pós-processador do Robotmaster apenas permite que cada módulo contenha dois mil

pontos, sendo este limite facilmente atingido. O pós-processador cria, nesses casos, vários

módulos sendo um deles o principal servindo de plataforma para chamar os restantes, um de

cada vez. O directório é pré definido pelo Robotmaster como “home:”, tendo ficado a dúvida

da possibilidade de o alterar dentro do software, assim como alterar o limite de pontos por

cada módulo. Estas dúvidas foram postas ao revendedor deste programa, por meio escrito,

tendo-se recebido a informação da sua correcção na nova versão do software.

Dentro do Robotstudio a simulação pode ser feita sem visualização dos pontos criados,

correndo relativamente rápido. A actualização dos pontos criados para a janela de

visualização demonstrou-se incomportável de realizar, no computador utilizado, devido ao

número de pontos de cada programa.

A primeira simulação feita em Robotstudio foi parada nos pontos de aproximação, acusando

um erro de limite da terceira junta. Depois do estudo deste erro concluiu-se que dentro do

Robotstudio as juntas são limitadas dinamicamente, ou seja, os limites da junta três

dependiam da posição da junta dois, tendo sido confirmado este resultado no robô. Na Figura

5.5 estão apresentadas as limitações existentes entre as juntas dois e três, sendo a razão das

limitações a colisão entre os elos do robô.

Figura 5.5: Limitação das juntas dois e três

No Robotmaster esta limitação não existe, sendo possível variar o valor de cada junta na sua

amplitude máxima independente da posição da junta a montante. Na Figura 5.6 está

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apresentada a simulação do robô para um ponto em que a junta três ultrapassa o limite

estabelecido. Vê-se também que para essa posição já existe uma colisão, não assinalada, entre

os elos do robô.

Figura 5.6: Falta de limitação no Robotmaster

A não limitação das juntas neste software, e pelos problemas que pode causar na célula, foi

alvo de um pedido de explicação/resolução ao revendedor do software, tendo sido confirmado

pelo revendedor que este problema ainda não está resolvido.

Este erro obrigou a que fossem refeitos os pontos de ligação e tomada mais atenção para

possíveis colisões nos elos referidos.

Foi ainda identificado o problema referente à definição da informação dos acessórios. Para a

compreensão deste tema apresenta-se na equação número dois a disposição, segundo a

linguagem Rapid, da informação relativa aos acessórios, explicando-se posteriormente o seu

significado.

(2)

Nome: designação dada ao acessório;

Falso/Verdadeiro: Estado do acessório em relação ao robô, agarrada ou solta;

[x,y,z]: Posição do ponto central da ferramenta (TCP);

[q1,q2,q3,q4]: Orientação em versores (quaternions) da ponta central da ferramenta;

[Peso]: Massa do conjunto de acessórios agarrados ao robô;

[x,y,z]: Posição do centro de gravidade do conjunto agarrado ao robô;

[q1,q2,q3,q4]: Momento de inércia do conjunto agarrado ao robô em versores.

Dentro do software Robotstudio comparou-se a informação relativa às ferramentas dos dois

softwares concluindo-se que os valores de massa, centro de gravidade e momentos de inércia

são constantes e pré-definidos na informação vinda do Robotmaster. Estes dados foram

transmitidos ao revendedor do software para saber se é possível a sua alteração, tendo-se

recebido a informação que a versão X5 já permite a sua alteração. No anexo H encontra-se o

correio electrónico enviado ao revendedor assim como a resposta recebida.

Os valores pré definidos pelo Robotmaster são apresentados na Tabela 5.2.

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Tabela 5.2: Valores pré definidos pelo Robotmaster para os acessórios criados

Peso [kg] Centro de gravidade [mm] Momentos de inércia [Kgm2]

20

X Y Z Mx My Mz

0 0 220 0 0 0

O aparecimento destes erros provou que a utilização do software Robotstudio como

intermédio de passagem software/robô foi uma escolha acertada.

Depois de entendidos e corrigidos os problemas atrás definidos correu-se uma simulação das

quatro faces, livre de colisões permitindo a passagem para a célula real.

5.2. Teste 2

Tendo sido realizado depois da implementação do primeiro, este teste serviu para se realizar o

ajuste de alguns parâmetros de maquinagem.

A geometria usada foi a mesma do primeiro teste, sofrendo um redimensionamento (para

poder ser executável na célula real). Para esta alteração usou-se o comando escala (Scale) do

Mastercam aprendendo-se assim algumas das funcionalidade de CAD deste software. Foi

feita a alteração do marcador para a caneta, tendo de se modificar os comprimentos da

ferramenta para que o referencial do ponto central da ferramenta fosse o correcto.

Os ajustes realizados foram:

Entrada na peça (Entry Motion): De hélice para livre, a não utilização de fresas de corte

tornava possível a entrada directa na peça.

Correcção de colisões: Apesar de nas simulações da peça anterior não terem sido assinaladas

colisões, o mesmo não aconteceu durante a realização prática. Realizou-se um estudo sobre os

mecanismos de colisão concluindo-se que são possíveis três diferentes grupos, robô/peça,

robô/acessórios e acessórios/peça. Nestes casos quando se menciona acessórios está-se a falar

do conjunto total agarrado ao robô (acessórios e ferramenta).

No software Robotmaster verificou-se que os parâmetros de colisão pré-definidos não

incluem o grupo robô/acessórios e tinham uma falha no grupo acessórios/peça.

A falha encontrada dá-se quando a ferramenta atinge a peça, sem que os acessórios o façam.

Este erro faz com que seja possível a ferramenta cortar a peça em mudanças de face ou

movimentos de aproximação.

Aquando da modelação dos acessórios não se tinha definido qual a ferramenta a utilizar pelo

que podia ser este o motivo da falha mas, este software permite a rápida alteração dos

parâmetros da ferramenta (comprimentos e diâmetros) como se pode ver na Figura 5.7, lado

esquerdo. Nesta figura apresenta-se também a geometria criada automaticamente na janela de

simulação, comprovando que a falha era interna. Do estudo desta falha concluiu-se que existe

a possibilidade de alterar os grupos de colisão, tendo-se corrigido este erro.

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Figura 5.7: Alteração de parâmetros da fresa e sua imagem na simulação

Dentro do software Robotstudio a criação de grupos de colisão é feita através de um menu

bastante compreensível trazendo a desvantagem de se ter de modelar a geometria da fresa

utilizada.

A criação de um grupo de colisão entre o robô e os dispositivos era possível, obtendo-se o

mesmo resultado nos dois softwares. Nenhum conseguia diferenciar o facto de os acessórios

estarem fisicamente ligados ao robô, assinalando sempre uma colisão.

5.3. Teste 3

Com a realização de dois testes semelhantes sentiu-se a necessidade de compreender a razão

de algumas das linhas dos traçados criados, assim como testar uma técnica de acabamento. A

escolha deste teste seguiu um pensamento diferente dos anteriores. Enquanto nos primeiros se

queria um traçado completo para demonstrar as capacidades do robô de seguir trajectórias

neste, o objectivo era ser um teste pequeno em que pudesse ser analisada a influência da

modificação de valores dentro de certos parâmetros.

A geometria para esta simulação era um rectângulo com dimensões de oitenta e cinco por

cinquenta milímetros, estando posicionado nos valores apresentados na Tabela 5.3.

Tabela 5.3: Posição e orientação da peça no terceiro teste

Posição [mm] Orientação [°]

X Y Z Rx Ry Rz

1070 0 400 0 0 0

Embora não provocasse alteração nos resultados finais, escolheu-se trocar a maneira de

definir o desbaste, utilizando-se um em espiral (Morph Spiral), onde os valores para o traçado

são interpolados entre o valor das paredes e o espaço por maquinar. Mesmo sendo uma

técnica de desbaste é possível escolher-se o número de passagens finais criando uma primeira

passagem de acabamento. Decidiu-se fazer duas simulações, uma com dois passes de

acabamento e a segunda com quatro passes para comparar as diferenças obtidas.

A terceira simulação desta geometria foi feita com uma técnica de acabamento, usando-se o

contorno. Assim como nas técnicas de desbaste são permitidos passes de acabamento, o

inverso também acontece, tendo-se optado por fazer uma passagem de desbaste seguida de

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duas de acabamento (Figura 5.8). A alteração do número de passes é feita dentro do menu

contorno, tornando o ciclo iterativo, em aplicações com ferramentas de corte, rápido.

Figura 5.8: Seguimento de um contorno com passes de desbaste e de acabamento

5.4. Teste 4

Uma das vantagens e motivos da compra de um software deste nível era a possibilidade de

criar trajectórias de maquinagem que utilizassem mais de dois eixos sincronizados. A

aplicação deste aspecto ao presente trabalho, tornou-se difícil pelo facto do robô ter de seguir

e desenhar numa geometria e não criá-la. A geometria escolhida foi uma tomada trifásica

porque apresentando uma curvatura, obrigava o robô a interagir em dois planos como o

desejado.

Antes de se descrever o teste, convém referir que a passagem de superfícies de softwares de

CAD para softwares de CAM é um assunto complexo. A mesma superfície definida por dois

softwares diferentes pode traduzir-se em caminhos diferentes. Na Figura 5.9 vê-se os

caminhos criados para a mesma peça, mas partindo de modelações diferentes. A geometria do

lado esquerdo ficou mal definida fazendo com que os caminhos de maquinagem fossem feitos

para superfícies isoladas e não para uma superfície continua (parte direita da Figura).

Figura 5.9: Resultados do software CAM de acordo com a modelação [3]

A modelação desta geometria foi feita no software Autodesk inventor tendo-se criado uma

ranhura para o robô seguir com as dimensões em milímetros apresentadas na Figura 5.10.

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Figura 5.10: Tomada e ranhura

A passagem para o Mastercam foi feita directamente (ficheiro.itp) tendo-se sentido

dificuldades na selecção das faces, ou seja, ao seleccionar uma das faces, o programa não a

conseguia distinguir, seleccionando a peça toda. Tentou-se também passar em formato neutro

“.sat” acontecendo o mesmo problema. Para não ter de refazer a peça neste software escolheu-

se uma técnica de maquinagem que não precisava da informação da superfície para criar o

caminho. A escolha recaiu sobre uma curva controlada por cinco eixos, tendo de se definir

quais as linhas que orientam a ferramenta.

Como a peça tinha sido feita por revolução não existiam linhas na ranhura, usando-se a parte

de CAD do software para criar linhas de fluxo (flowline curve) nessa área. O resultado da

criação destas linhas é apresentado na Figura 5.11.

Figura 5.11: Comparação do ficheiro original com o editado

Depois da edição da peça foi possível realizar uma simulação com sucesso, estando a posição

da peça definida na Tabela 5.4. A orientação da peça fazia com que a face estivesse oposta à

frente do robô. O traçado criado está apresentado na Figura 5.12.

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Tabela 5.4: Posição e orientação da peça no quarto teste

Posição [mm] Orientação [°]

X Y Z Rx Ry Rz

1000 160 500 0 0 0

Figura 5.12: Traçado criado para o 4º teste

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Antes de se começar a descrever e comentar os testes, é relevante perceber-se que a passagem

do meio virtual para o real é muitas vezes acompanhada de erros e dificuldades. Dois dos

principais problemas associados a essa passagem são o posicionamento/orientação e a fixação

das peças.

Posicionamento/orientação: em meio virtual é fácil posicionar e orientar uma peça num

referencial uma vez que nenhuma restrição é imposta e todos os pontos desse referencial são

conhecidos (pelo software). Na célula real o mesmo não acontece, a posição de um ponto é

apenas conhecida por aproximação, podendo a diferença entre o ponto real e o virtual

traduzir-se numa impossibilidade do robô em realizar as trajectórias impostas. A orientação de

peças, em operações de maquinagem, é usualmente por mecanismos dedicados ou

manualmente.

Nos testes realizados, posicionou-se o referencial da peça de maneira a que fosse possível

mover o robô até esse ponto e confirmar o seu valor. Como seria de esperar, nenhum

referencial foi posicionado no sítio correcto havendo sempre discrepâncias. Em situações em

que a diferença era pequena, redefinia-se a posição do referencial para o novo ponto e

prosseguia-se com o teste, sabendo-se dos testes realizados no capítulo 4, que nessa área era

possível a realização do mesmo. Se por outro lado a diferença fosse grande voltava-se a

simular os caminhos para garantir que não haviam colisões.

Fixação: a fixação das peças é um assunto que em meio virtual passa despercebido, uma vez

que a posição e orientação das peças é mantida durante todo o processo, mesmo em caso de

colisão. Em aplicações reais este assunto é bastante delicado tendo de ser pensado de maneira

a que seja seguro, rápido e que mantenha a peça orientada/posicionada durante toda a

operação, mesmo quando são aplicadas forças elevadas, derivadas da operação de

maquinagem. A fixação das peças foi feita recorrendo ao seu peso (testes 1,2 e 4) e ao uso de

adesivo no teste 3.

Devido aos desvios encontrados no programa Robotmaster, relacionados com a informação

dos acessórios, utilizou-se o software da célula de carga presente no robô para,

automaticamente, calcular o peso e identificar o centro de gravidade do conjunto. Os valores

obtidos e utilizados nos programas corridos na célula real estão apresentados na Tabela 6.1.

Tabela 6.1: Valores de peso e centro de gravidade obtidos no robô

Peso [kg] Centro de gravidade [mm]

11.36

X Y Z

21.54 50.74 123.75

6. Testes na célula real

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A utilização do software da célula de carga cria uma pasta onde devem estar as informações

sobre a ferramenta e o referencial de trabalho. A passagem da informação contida no ficheiro

pós-processado para esta pasta era feita manualmente antes de se realizarem os testes.

6.1. Teste 1

Para a execução deste teste foi utilizada uma caixa de cartão com as dimensões adequadas a

acomodar a geometria a criar. A utilização de uma caixa, devido à sua baixa rigidez, não

permitia a obtenção de uma fixação suficientemente forte para a segurar nem, garantia que as

paredes se mantivessem imóveis. Para aumentar a rigidez da caixa e garantir melhores

resultados foram colocados no seu interior objectos pesados.

As condições de realização deste teste (posição, orientação e velocidade) foram iguais às

definidas na primeira simulação realizada (capítulo 5) à excepção da face de topo que, devido

ao sistema de fecho da caixa, não pode ser realizada.

Na Figura 6.1 tem-se a comparação do traçado desejado e do criado.

Figura 6.1: Traçado criado versus desejado

Da análise da figura detecta-se que o traçado criado não representava, a nível de detalhe, o

traçado simulado. Esta diferença foi provocada pela utilização do marcador que, tendo um

diâmetro superior ao definido no software Mastercam/Robotmaster, não permitiu a

visualização dos detalhes nas zonas mais finas da peça.

A utilização da caixa de cartão, mesmo com o enchimento introduzido, não permitiu que se

tivesse uma superfície completamente plana. Este factor em conjugação com a rigidez

relativamente alta do marcador comprometeu os resultados criando diferentes erros. Na

Figura 6.2 apresenta-se uma zona onde a caixa estava deslocada, provocando uma maior força

e consecutiva perda de material.

Figura 6.2: Zona de maior contacto entre o marcador e a caixa

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O inverso também aconteceu, havendo zonas onde o marcador não escrevia. A passagem

entre zonas de maior força para zonas sem força fazia com que a caixa perdesse a sua posição

criando desvios em relação ao traçado desejado. Estas duas situações encontram-se

apresentadas na Figura 6.3.

Figura 6.3: Erros de traçado

Da realização deste teste conclui-se que a utilização de uma caixa para reproduzir a geometria

não foi a melhor opção, uma vez que não permitiu um conhecimento preciso da posição e

orientação de qualquer ponto da caixa, traduzindo-se em erros de representação do traçado.

Um desses erros foi o excesso de força, em alguns pontos, que se traduziu num rompimento

do material da caixa. Este erro, numa aplicação com ferramentas de corte e materiais mais

duros, podia causar situações de perigo para o utilizador e célula robótica.

6.2. Teste 2

Devido às conclusões obtidas durante a realização do primeiro teste, trocou-se o marcador

pela caneta. Tendo a caneta uma ponta mais fina, assim como um sistema que permite

absorver algumas irregularidades (mola), os resultados obtidos neste teste deviam, à partida,

ser melhores que os obtidos no primeiro, o que se veio a confirmar.

As condições de realização deste teste (posição, orientação, velocidade e material) foram

iguais às utilizadas no primeiro teste, havendo uma diferença de tamanhos entre a geometria

simulada.

Na Figura 6.4 tem-se a comparação entre o traçado desejado e o criado.

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Figura 6.4:Traçado criado versus desejado

Da análise da figura é notável um melhor detalhe de seguimento tendo-se conseguido atingir

um dos objectivos propostos para este teste.

Mesmo com a utilização da caneta não foi possível eliminar alguns dos erros de traçado como

se apresenta na verificar na Figura 6.5.

Figura 6.5: Zona sem contacto

A não linearidade das superfícies da peça, associado com um enchimento não uniforme

causou que, em algumas zonas, o traçado não fosse representado. Uma das causas dessa fraca

linearidade é devido ao processo de fabrico que a caixa tem (Figura 6.6), tendo contribuído

para os resultados obtidos.

Figura 6.6: Maneira de fabrico das faces da caixa utilizada

Devido ao nível de detalhe conseguido, decidiu-se fazer duas passagens para “confirmar” a

repetibilidade do robô apresentando-se na Figura 6.7 os resultados obtidos.

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Figura 6.7: Resultados obtidos com duas passagens na mesma face

Da análise da figura não se distingue as duas passagens da caneta, significando que, mesmo

com pequenas deslocações da caixa, o robô foi capaz de executar com boa repetibilidade o

caminho desejado. Alem disso é também visível uma zona onde houve remoção de material,

mesmo sem ferramentas de corte. A razão deste erro relaciona-se com a movimentação e falta

de rigidez da caixa uma vez que a remoção de material só aconteceu na segunda passagem.

Os resultados obtidos neste teste permitem reforçar a ideia que uma boa fixação e orientação

da peça são aspectos fundamentais para a obtenção dos resultados pretendidos.

6.3. Teste 3

Com as capacidades do robô trabalhar em várias faces testadas, projectou-se um teste rápido

que permitisse perceber a diferença provocada pela alteração de alguns parâmetros de

maquinagem, assim como confirmar as dimensões das geometrias criadas.

As condições de realização deste teste foram projectadas para que o robô criasse os caminhos

de maquinagem desejados numa folha de papel, fixada com adesivo à mesa posicionadora. O

posicionamento da folha foi feito de maneira contrária, quando comparado com os testes

realizados anteriormente, ou seja, primeiro mediu-se um ponto da mesa onde a folha estivesse

dentro do volume de trabalho do robô. De seguida simulou-se e criou-se o ficheiro com a

posição do referencial da peça para o ponto medido. Este aspecto permitiu que não fosse

preciso redefinir o referencial da peça aquando da passagem software/célula real, tornando a

realização do teste mais rápida, como desejado.

Os trajectos simulados eram em forma de rectângulo com dimensões 85x50 milímetros. Foi

também programada a realização de três testes havendo alterações de parâmetros de

maquinagem entre cada um deles. A velocidade utilizada foi igual aos testes anteriores.

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1. Desbaste com duas passagens de acabamento: Sendo uma operação de desbaste a

geometria final deve ter uma diferença para a geometria criada igual ao diâmetro da

ferramenta definida (10mm). Apresentam-se na Figura 6.8 e Figura 6.9 as dimensões

obtidas.

Figura 6.8: Dimensão obtida

Figura 6.9: Dimensão obtida

Da análise das figuras conclui-se que as dimensões obtidas eram as esperadas, podendo

concluir-se que numa operação real (ferramenta de corte) a utilização destes parâmetros, à

excepção da velocidade de avanço cujo valor determina a qualidade superficial, devem

garantir um bom toleranciamento geométrico da peça final. A obtenção das dimensões finais

subtraídas do diâmetro da ferramenta devem-se ao facto de não ser possível desactivar, em

operações de acabamento, a compensação da ferramenta. Como a ferramenta utilizada

(caneta) apenas escreve com a ponta, não se conseguem obter os valores finais da geometria.

2. Desbaste com quatro passagens de acabamento:

As condições de realização deste teste são iguais às do teste anterior com a excepção do

número de passes de acabamento, tendo-se alterado de dois para quatro (Figura 6.10).

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Figura 6.10: Comparação de traçado com dois ou quatro passes de acabamento

Da análise dos resultados conclui-se que a área de desbaste é dependente do número de

passagens de acabamento que se utiliza.

A alteração deste parâmetro não provocou alterações significativas nos resultados obtidos

devido à não utilização de ferramentas de corte, não sendo, por isso, concluir sobre a melhor

combinação a utilizar.

De modo a complementar este teste realizou-se, em software virtual, uma comparação da

maneira utilizada para fazer o desbaste (Morph Spiral) e da utilizada no primeiro e segundo

teste (Zigzag) concluindo-se que a utilizada nos primeiros testes (cubo) promove uma

remoção de material mais rápida.

3. Contorno com duas passagens de acabamento:

Tendo-se testado e validado operações de desbaste, sentiu-se a necessidade de realizar um

traçado com uma operação de acabamento. Este teste foi, então, criado com as condições de

posição e velocidade iguais ao teste anterior, alterando-se a maneira de criar o caminho de

maquinagem. O caminho escolhido tinha um passe de desbaste e dois de acabamento,

apresentando-se na Figura 6.11 a comparação do traçado obtido versus o pretendido.

Figura 6.11: Traçado real versus virtual

Da análise da figura apresentada repara-se que o traçado não foi fielmente reproduzido, tendo

aparecido erros. O motivo destes erros foi uma falha na fixação da peça.

Neste tipo de operações de maquinagem é permitido desligar-se a compensação do raio da

ferramenta, esperando-se obter as dimensões exactas da peça virtual. As dimensões obtidas

estão apresentadas na Figura 6.12 e na Figura 6.13.

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Figura 6.12: Dimensão obtida

Figura 6.13: Dimensão obtida

As dimensões obtidas foram iguais às esperadas concluindo-se que, assim como nas

operações de desbaste, o robô consegue seguir a trajectória desejada. A razão pela qual se

desliga a compensação da ferramenta está relacionado com o facto da caneta apenas escrever

com o seu ponto central, no caso de uma ferramenta de corte, a utilização deste parâmetro

desligado provocaria dimensões erradas. A realização deste teste, quando utilizadas

ferramentas de corte, provaria se a definição dos parâmetros tinha sido adequada de acordo

com o toleranciamento geométrico obtido versus desejado.

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A realização deste trabalho permitiu perceber, fundamentar e extrapolar conclusões sobre a

utilização de robôs industriais em processos de maquinagem, assim como de softwares que

tornam possível essa aplicação.

Para uma melhor compreensão das conclusões obtidas, é importante perceber-se que a

utilização de robôs como mecanismo dedicado, mesmo em operações de maquinagem, já se

encontra aplicada no mundo industrial. Os estudos foram realizados com o intuito de se

vincular o mínimo possível a situações concretas, tendo-se estudado sempre que permitido

situações genéricas. A utilização do conjunto robô/software foi entendida como uma solução

flexível que permite, quando aplicado no meio empresarial, uma rápida adaptação a novas

famílias de produtos.

Da análise dos factores que influenciam a capacidade do robô seguir os caminhos definidos

conclui-se que esta depende, principalmente, da geometria da peça contando que o seu

posicionamento está dentro do volume de trabalho do robô. A utilização de diferentes

acessórios é compensada pela capacidade do robô atingir o mesmo ponto de maneiras

diferentes.

A principal dificuldade sentida, durante a realização deste trabalho, prendeu-se com a

modelação da célula robótica existente, no software de CAD/CAM utilizado

(Mastercam/Robotmaster). A criação tanto dos acessórios como dos equipamentos auxiliares

(mesa posicionadora) obrigava à edição de ficheiros complexos, ultrapassando facilmente o

conhecimento do público-alvo deste software. Além disso, verificou-se que o software

Mastercam/Robotmaster tem uma definição errada das amplitudes das juntas do robô, ou seja,

a amplitude da junta três pode, dentro deste software, tomar qualquer valor independente do

valor da junta a montante. Confirmou-se na célula real e no software de programação offline

do fabricante do robô, o Robotstudio, no qual se encontra uma cópia exacta do controlador

real, que o valor da junta três é limitado pelo valor da junta dois, havendo colisões se assim

não acontecer.

Verificou-se ainda uma impossibilidade em alterar as definições dos programas gerados

(linguagem Rapid). O número de pontos por módulo assim como o directório a partir do qual

os vários módulos secundários são chamados, quando se executa o programa na célula real ou

no software Robotstudio, que vêm definidos do software de CAD/CAM não são os desejados

obrigando a uma edição dos programas gerados.

Sendo uma das características mais importantes destes tipos de softwares (programação

offline) é fundamental apresentar neste capitulo as conclusões obtidas sobre os processos de

simulação. Concluiu-se que existem três grupos de colisão, robô/peça, acessórios/peça e

robô/acessórios. A alteração dos parâmetros de colisão, em ambos os softwares, torna possível

7. Conclusões e trabalhos futuros

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que os dois primeiros grupos estejam perfeitamente funcionais. A criação do terceiro grupo é

possível mas como os acessórios estão fisicamente ligados ao robô, os softwares assinalem

sempre uma colisão.

O ambiente de trabalho deste software (Mastercam/Robotmaster), devido às variadas funções

que permite realizar, é complexo, necessitando de uma aprendizagem longa. A realização de

modificações de valores de parâmetros de maquinagem assim como a realização de

simulações e geração de programas na linguagem robô é feita de uma forma expedita,

atendendo à interface disponibilizada pelo programa, requerendo no entanto um computador

com elevada capacidade de processamento.

Uma informação importante de relevar é o facto de, os problemas associados à criação dos

acessórios e às definições dos programas criados, já se encontrarem solucionados na versão

mais actual do software. O aparecimento de erros e a sua rápida correcção por parte da

empresa do software permite concluir que a aplicação de robôs a processos de maquinagem é

uma técnica recente e com boas perspectivas de evolução/utilização no futuro.

A passagem do programa gerado no software CAD/CAM pelo software Robotstudio permitiu

a percepção de algumas das dificuldades antes da aplicação na célula real. Concluiu-se que a

modelação cinemática, do robô, neste software é mais exacta que a existente no

Mastercam/Robotmaster. Além disso, encontrou-se uma dificuldade na passagem dos

programas gerados, devido à extensão destes, para a zona de simulação (com visualização).

Este facto permite extrapolar que em operações de peças grandes ou complexas o número de

pontos gerados, por programa, possa impossibilitar a simulação, neste software. A quantidade

de pontos gerados pode, em alguns casos, exceder a capacidade de memória do controlador do

robô, obrigando à utilização de um computador com rapidez suficiente para trabalhar

sincronizado com o controlador.

Das dificuldades obtidas pode concluir-se que a compra de sistemas “chave na mão” permite

que uma empresa disponha de um sistema sem falhas. Estes sistemas trazem como

desvantagem o encarecimento do conjunto robô/software e a perda de alguma flexibilidade,

uma vez que, a empresa fica restringida à definição da célula “encomendada”.

O, já existente, leque de aplicações bem sucedidas de robôs faz com que a sua utilização, seja

cada vez mais vista como uma aposta lucrativa. Espera-se que, a adição de processos de

maquinagem ao leque, se traduza num caminho de uniformalização das linguagens de

programação, permitindo assim uma evolução conjunta dos softwares com aplicações

destinadas a robôs (por exemplo softwares CAD/CAM). Este caminho de evolução permite

que a concorrência se faça sentir, provocando uma diminuição dos custos de

aquisição/manutenção deste género de softwares.

Como trabalhos futuros sugere-se a integração do controlador do motor árvore de uma

maneira que garanta segurança aos utilizadores e célula. É possível assim criar geometrias

complexas que complementem o estudo feito neste trabalho.

Sugere-se também, a maquinagem de diversos materiais para melhor compreender o

significado de cada parâmetro, assim como validar os toleranciamentos superficiais obtidos.

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8. Referências

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25. Lloyd, D. Staubli machining robots used to sculpt stone. 2011; Available from: http://www.advancedmanufacturing.co.uk/features/staubli-machining-robots-used-sculpt-stone.

26. RobotCNC. Robotic Solutions Testimonail from Garner Holt, a leader in Animatronics. 2009; Available from: http://www.youtube.com/watch?v=np0GbBTwBxw.

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28. ABB. IRB2400. 2011; Available from: http://www.abb.pt/product/seitp327/657d58e39c804f64c1256efc002860a7.aspx.

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30. SCHUNK. Tool Changing, Quick-Change System. 2008; Available from: http://www.schunk.com/schunk_files/attachments/SWS_011_EN.pdf.

31. ABB. IRBP C. 2011; Available from: http://www.abb.com/product/seitp327/005a650ac570f774c125771c00426051.aspx?productLanguage=us&country=PT.

32. PrecisionDriveSystems, Operator Manual - XLA/C-070 2011.

33. Polka, D., Motors and Drives - A practical Technology Guide. 2003: The Instrumentation Systems and Automation Society.

34. Delta, User Manual - VDF-VE Field Oriented Control AC Motor Drives. 2007.

35. ABB, IRB 2400, Industrial Robot. 2009: ABB.

36. Technologies, N. Project History. 2011; Available from: http://www.norjen.ca/index.php?cmd=projects.

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Anexos

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Anexo A

Características funcionais do robô ABB IRB 2400

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Anexo B

Características funcionais do módulo de mudança automática de ferramenta

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Anexo C

Características funcionais da mesa posicionadora ABB IRBP C500

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Anexo D

Características funcionais do controlador ABB IRC5

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Anexo E

Atravancamento do motor árvore PDS XLC-070

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Anexo F

Desenho de definição da interface 90 graus

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Anexo G

Desenho de definição da interface 30 graus

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Anexo H

Carta e resposta representante Mastercam/Robotmaster

Boa Tarde,

Ver abaixo resposta às V/ questoes.

Update p/ X5:

Pode ser na prox. segunda-feira 27?

Cumprimentos,

Gilberto

www.grandesoft.pt

1. Definir os valores de massa, centro de gravidade e momentos de inércia.

NOTE: The gravity, inertia, etc. are typically stored in the post processor output section. This

can be set and configured from the following location:

Robotmaster Global Settings icon

Options

And from the following field highlighted. Here, you can enter the tool load data that has been

determined on the controller itself for weight, gravity, inertia, etc.

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2. Limit the joint max angle

Yes, they will need to edit the ROBX and XML file to limit the joint values from the robot

setup folder. I would recommend making a backup of both files first before editing them. By

editing the values in both, you will ensure that the output is correct and the simulation is

correct.

Ver ficheiros na pasta C:\mcamx4\chooks\Robotmaster\ABB\Robot_Setups\IRB2400_16.

3. With a number of points > 2000, RobotMaster splits the program in subprograms in a

directory “home:” is this optional and can this directory be configured?

Yes, from the same Options dialog as shown above, you can change the maxlines from 2000

to what the controller can handle AND change the sub-directory value

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Sent: Thursday, June 02, 2011 2:14 PM

Subject: Dúvidas relacionadas com Mastercam/Robotmaster

Bom dia

O meu nome é Nuno Rodrigues e encontro-me a realizar uma dissertação no âmbito do

Mestrado Integrado de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da universidade do

Porto (FEUP), na qual recorro à utilização de um software por vós disponibilizado, o

Mastercam/Robotmaster (versão X4). Dessa utilização surgiram algumas dúvidas, motivo

pelo qual vos envio este mensagem de correio electrónico.

O título da minha tese é utilização de ferramentas CAD/CAM na programação de robôs

industriais, tendo surgido da necessidade de explorar este ramo de mercado e aproveitar a

recente aquisição de software, o Mastercam e a expansão Robotmaster.

No desenrolar do trabalho, foi preciso definir as ferramentas existentes na célula robótica real

composta por um robô da marca ABB modelo IRB 2400 com 16kg de capacidade de carga e

pelo controlador IRC5. Para atingir esse objectivo utilizei uma expansão para o Robotmaster

de nome End Effector Setup. Depois de seguir todos os passos indicados no tutorial e criar a

ferramenta, foi realizado o pós-processamento para Rapid de um certo caminho. A primeira

dúvida surgiu quando por motivo de segurança conferi a informação da ferramenta no robô,

esta não apresentava a massa nem o centro de gravidade correctos. É importante referir que a

ferramenta foi desenhada no software Autodesk Inventor com valores de massa e centro de

gravidade correctos. A passagem para o Mastercam foi feita através de ficheiros com extensão

“.iam” (Autodesk Inventor Assembly) e “.sat” tendo as duas maneiras dado o mesmo erro.

Ficou então a dúvida da possibilidade de criar no Robotmaster ferramentas e ai definir os

valores de massa, centro de gravidade e momentos de inércia.

A segunda dúvida é relativa à limitação dinâmica do movimento das juntas 2 e 3. No software

é permitida a movimentação da junta 3 para valores superiores a 64° com a junta 2 a 0°, o que

no robô não é permitido. Existe alguma maneira de fazer-se a limitação deste movimento?

Surgiu também uma dúvida no ficheiro pós-processado. Quando criado um trajecto de

maquinagem com um número de pontos superior a dois mil o pós-processador do

Robotmaster divide automaticamente o ficheiro final em vários módulos. Um desses é o

módulo Main onde, a partir desse são chamados os restantes módulos. A procura desses

módulos é feita num directório “home:”, sendo a dúvida relacionada com o facto de ser ou

não possível a alteração desse directório (dentro do Mastercam).

Cumprimentos

Nuno Ferreira Rodrigues