Departamento de Engenharia Mecânica

Desenvolvimento de Técnicas de Controle de um Robô Móvel para

Soldagem Automática de Tubulações e Chapas

Aluno: Henrique Reis Santiago

Orientador: Marco AntonioMeggiolaro

Co-orientador: Daniel Freitas

Introdução

Na atualidade, mais de 50 diferentes processos de soldagem são aplicados industrialmente,

e a solda é a mais importante técnica para a junção permanente de metais. Pode-se notar tal

importância pela forte presença dos processos de soldagem em diferentes áreas da indústria e

pela pesquisa voltada para o desenvolvimento de novos aços e outras ligas metálicas de

melhor soldabilidade.

Dentre as áreas principais da indústria que utilizam processos de soldagem, estão a

automobilística, a naval e a de óleo e gás. Um estudo realizado nos estaleiros do Rio de

Janeiro mostra que a utilização incorreta das técnicas de soldagem, gerando distorções e

tensões residuais, é o elemento mais relevante para uma baixa produtividade se comparado a

de países desenvolvidos. Além disso, no estudo em questão, constatou-se também a influência

do fator humano na produção, dado o baixo fator de operação (tempo efetivo) e falta de

replicabilidade no processo.

Desse modo, o estudo e desenvolvimento de um sistema robótico para a soldagem é de

extremo interesse para o setor industrial. Não só acarreta numa maior produção como também

numa melhor qualidade do produto final, pois os parâmetros da solda podem ser controlados,

analisados um a um, e uma vez estabelecidos os parâmetros ótimos esses serão repetidos de

forma confiável.

Análise de testes previamente realizados

O sistema robótico já desenvolvido no laboratório de robótica foi projetado visando

otimizar a soldagem de tubulações na indústria. O primeiro protótipo desenvolvido conta com

4 rodas magnéticas, dois motores de passo, um para a tocha e outro para a tração nas rodas

traseiras, suporte para a tocha, uma tocha adaptada, uma caixa de redução para as rodas

traseiras e um módulo para a eletrônica. O suporte da tocha está acoplado a um parafuso sem

fim, ligado ao motor e responsável pela movimentação da tocha, perpendicular ao

deslocamento da base. O motor de passo gira o parafuso e, consequentemente, translada a

tocha. Com o uso das rodas magnéticas, o robô consegue se fixar nas chapas e tubos sem o

uso de cintas, como ocorre com a maioria dos outros sistemas robóticos presentes no

mercado.

Para controlar o sistema robótico, foi desenvolvida também uma maleta de controle, que

permanece ligada ao robô por fios. Na maleta, o operador pode determinar parâmetros do

robô essenciais no processo de soldagem, como: velocidade de avanço da base, frequência de

oscilação da tocha e amplitude da oscilação da tocha, além de iniciar e parar o processo de

solda no robô. Uma vez obtidos os parâmetros ideais, a solda de mesma qualidade pode ser

reproduzida inúmeras vezes.

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Figura 1. Maleta de controle

Figura 2. Primeira versão do robô soldador

O projeto foi testado na empresa Immatec, voltada para a produção de tanques de

armazenamento de combustíveis. Durante o teste, foi possível analisar a qualidade da solda do

robô, bem como seu funcionamento em condições reais na indústria.

O processo de soldagem aplicado para a confecção dos tanques consiste fabricação de

tubos calandrados a partir de chapas de aço e soldando as suas extremidades e posteriormente

unindo diversos tubos. Os tubos são biselados e posicionados lado a lado para que o robô

possa dar o passe do cordão de solda unindo os tubos. Por fim, soldam-se as tampas dos

tanques nas extremidades do tubo.

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Figura 3. Tubos prontos para a união à esquerda e tanque pronto à direita

Para que a solda possa ser realizada, foram testados os parâmetros de solda numa chapa

do mesmo material. Uma vez que estes proporcionaram um cordão satisfatório, o robô

começou a soldar os tubos. O cordão pode ser considerado satisfatório quando a solda não

possui trincas, escavações ou porosidades, e tem boa penetração e boa fusão.

Figura 4. Testes para obtenção dos parâmetros, realizados de baixo para cima

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Figura 5. Robô durante a soldagem externa dos tubos

Resultados e discussões

Após o término da confecção dos tanques, foi possível analisar a qualidade da solda

aplicada. Com os parâmetros adequados, os cordões obtiveram aprovação do controle de

qualidade da empresa. Durante a fabricação, o principal problema encontrado foi o desvio da

base robótica do percurso desejado. Esse mesmo problema ocorreu também durante a

obtenção dos parâmetros, como mostra o segundo cordão da Figura 3. As possíveis causas

foram:

Peso dos fios de alimentação da tocha e da eletrônica;

Respingos de solda previamente realizada e outros tipos de impurezas na

superfície do tanque;

Imperfeições (deformações) na superfície do tanque, fazendo com que uma das

rodas perdesse contato com o solo.

Empenamento da tampa devido ao peso da tocha e de seu suporte

Modificações

Para solucionar os problemas citados, propuseram-se as seguintes modificações no projeto

original: a adição de um novo motor, a adição de um sensor de efeito Hall e uma nova base

para o robô. Dessa forma, o sistema robótico se torna capaz de identificar o bisel e realizar

correções na sua trajetória durante o processo de soldagem, além de ter uma estrutura mais

rígida.

A locomoção atual do robô de solda conta apenas com um motor de passo modelo

PK268M-02A, classificação NEMA 23, usado para mover as duas rodas traseiras, e uma

caixa de redução com um pinhão e um parafuso sem fim com redução de 20:1. Esse sistema

de redução foi escolhido por apresentar uma alta taxa de redução e ser extremamente

compacto, ao contrário de um sistema com engrenagens cônicas ou de uma caixa de redução

com engrenagens de dentes retos, por exemplo. Isso é possível porque cada volta do parafuso

sem fim acoplado ao motor de passo faz o pinhão rodar um apenas um dente. Dessa forma,

quando a engrenagem movida completar uma volta, o parafuso sem fim terá dado o número

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de voltas equivalente ao número de dentes da engrenagem, no caso, 20 dentes. Numa caixa de

com engrenagens de dentes retos, a engrenagem movida teria um diâmetro muito maior para a

mesma redução, mesmo que o módulo seja pequeno.

Ao adicionar um segundo motor e caixa e tornar cada um responsável pelo movimento de

uma das rodas traseiras, o robô se torna capaz de realizar curvas.

Figura 6.Caixa de redução com parafuso sem fim

O sensor Hall servirá para indicar em qual direção o robô deverá fazer a curva para

permanecer soldando no bisel. O sensor funciona medindo a tensão gerada pelo efeito Hall,

descoberto pelo físico Edwin Hall em 1879, num circuito com um eletroímã que ficará acima

do bisel. Essa tensão surge de um desvio dos elétrons que passam num circuito com uma

chapa fina condutora ao sofrerem o efeito de um campo magnético perpendicular à chapa e a

direção do movimento dos elétrons. Nesse momento, aparece a força de Lorentz, proporcional

a carga da partícula em questão, da velocidade da mesma e da intensidade do campo, com

direção e sentido determinados pela regra da mão direita. A força irá desviar os elétrons para

uma das extremidades da chapa condutora, gerando uma diferença de potencial nessa parte do

circuito, a tensão de Hall. O sensor irá obter o valor dessa tensão gerada, normalmente em

microvolts (µV) e amplifica-la para enviar como output.

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Figura 7. Efeito Hall

Durante o processo de soldagem, o sensor permanecerá ligado acima do bisel, enviando

leituras para o robô. Caso haja algum desvio indesejado, a leitura enviada irá mudar e, o robô

poderá realizar as correções até retornar para a leitura original.

Figura 8. Sensor de efeito Hall

Para poder suportar as novas modificações e não possuir os problemas estruturais antigos,

a base do sistema robótico também foi reprojetada. A nova base é unibody, com paredes

internas para dar maior suporte para a tampa. Um chassi ou base unibody é uma base fresada a

partir de um único bloco sólido. Dessa forma, o robô pode ter paredes e compartimentos

internos e não será necessário usar parafusos para montar todo o chassi.

Ela também ficou maior em função da segunda caixa de redução e do maior espaço

necessário para a eletrônica com o sensor Hall. Além disso, a tampa ficou mais grossa. Desse

modo, espera-se resolver os problemas estruturais existentes com a estrutura mais rígida.

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Figura 9. Base Unibody

Abaixo, pode-se observar na figura 10 a montagem do novo robô de solda. Para

poderfixar o sensor, duas guias de alumínio são utilizadas.

Figura 10. Imagem renderizada da nova versão robô de solda completo, gerado no

software SolidWorks

Conclusão

A soldagem, hoje, está entre os principais métodos de fabricação da indústria. Junto com

seu desenvolvimento, é necessário também a criação de novas tecnologias para otimizar o

processo. O sistema robótico desenvolvido no laboratório de robótica busca automatizar o

processo de soldagem, tornando-o mais eficiente e melhorando a qualidade do produto final.

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Após os testes realizados no primeiro protótipo, puderam-se notar algumas falhas não

previstas anteriormente. Baseado nesses resultados, uma nova versão do robô de solda foi

proposta com alterações para solucionar os problemas. Com a nova base, o segundo sistema

para locomoção e o sensor Hall, espera-se que o robô tenha uma estrutura mais rígida e

consiga fazer correções na sua trajetória.

Referências

1- MODENESI, P.J., MARQUES, P.V., BRACARENSE, A.Q.. Soldagem – fundamentos e

tecnologia. 3ed. UFMG, 2005.

2– VASCONCELOS, Alexandre Maioli, ZEEMAN, Annelise, TAPIA, Marta. Análise da

sequencia de soldagem em painéis típicos navais. Rio de Janeiro, 2014. Projeto de

Graduação (Engenharia Naval e Oceânica) - Universidade Federal do Rio de Janeiro.

3- SENAI. Noções Básicas de Processos de Soldagem e Corte. Espírito Santo, 1996.

4-POPOVIC, R.S.. Hall Effect Devices, Second Edition. 2ed. CRC-Press, 2003.

5-MEGGIOLARO, Marco Antonio. Riobotz Combot Tutorial. Rio de Janeiro, 2009.