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10/7/2010

Aspecto construtivo de robs | JOALDO A.S

CEMA ROBS


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Introduo

Os benefcios tericos de utilizar robs em uma indstria so numerosos e vai desde o

aumento da produtividade, a melhoria e a consistncia na qualidade final do produto (a

qual tambm minimiza a necessidade de operaes adicionais), a menor demanda de

contratao de mo de obra especializada, que difcil de encontrar, a confiabilidade no

processo, a facilidade na programao e uso dos robs, a operao em ambientes

difceis e perigosos ou em tarefas desagradveis e repetitivas para o ser humano e,

finalmente, a capacidade de trabalho sem descanso por longos perodos.

Entretanto, na prtica, a aplicao de robs na indstria requer uma soluo

confivel e robusta que desempenhe de forma consistente as funes predeterminadas.

Ou seja, ao existir um problema a resolver, este deveria ser resolvido com um xito

prximo a 100%, em 100% do tempo, de tal forma que se tenha a confiana que o

sistema robotizado realiza o trabalho para o qual foi designado. Qualquer porcentagem

de xito menor que esta frequentemente

no aceita.

Indstrias que querem robotizar todos os seus processos, normalmente possuem

problemas complexos para resolver, o que implica na necessidade de robs caros e de

alta preciso, que muitas vezes no trabalham como requerido. Na prtica, o xito no

uso de robs alcanado com a robotizao apenas de determinados processos, no de

sua totalidade. 100% de solues para 90% dos problemas normalmente muito melhor

que 90% de soluo para 100% dos problemas .

Em algumas aplicaes os processos alcanam 100% de robotizao, tal como na

manipulao de materiais diversos, soldagem por resistncia por pontos e pintura na

indstria automobilstica. E esse sucesso no porque sejam processos simples; pelo

contrrio, so processos complexos, mas um bom exemplo da relao custo-

benefcio, alm de substituir a mo de obra humana em um trabalho repetitivo, difcil e,

em muitas vezes, de alto risco.

Robs Industriais

Desde que a empresa Unimation instalou o primeiro rob industrial em 1961, na

atualidade mais de 700.000 robs so empregados nas indstrias em todo o mundo. Osrobs, de acordo com a Associao de Indstrias de Robs dos Estados Unidos (Robot


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Industries Association - RIA), so "manipuladores reprogramveis e

multifuncionais,projetados para manipular materiais, peas, ferramentas ou dispositivos

especializados,atravs de movimentos variveis programados para a realizao de

tarefas diversas".Com respeito a sua estrutura, um rob um sistema mecnico, de

geometria variada, formada

por corpos rgidos, articulados entre si, destinado a sustentar e posicionar/orientar o

rgo terminal, que dotado de garra mecnica ou ferramenta especializada, fica em

contato direto com o processo. A mobilidade do manipulador o resultado de uma srie

de movimentos elementares, independentes entre si, denominados graus de liberdade do

rob.

Eixos de um Rob

O brao manipulador de um rob capaz de se mover para vrias posies porque

possui unies ou juntas, tambm denominadas eixos, que permitem ao manipulador

executar tarefas diversas. O movimento da junta de um rob pode ser linear ou

rotacional.

O nmero de juntas de um rob determina seus graus de liberdade; a maioria dos robs

possui de 3 a 6 eixos. Estes eixos podem ser divididos em duas classes: eixo do corpo e

eixo da extremidade do rob. Os eixos da base do corpo do rob permitem mover seu

rgo terminal para uma determinada posio no espao. Estes eixos so denominados

cintura, ombro e cotovelo (waist,shoulder e elbow). Os eixos da extremidade do rob

permitem orientar seu rgo terminal e so denominados roll,pitch eyaw (fig. 1). Um

rob com 6 eixos, sendo 3 para o posicionamento e trs para a orientao, compatvel

com qualquer tarefa que seja realizada dentro de seu volume de trabalho; com menos de

6 graus de liberdade no se alcanam todos os pontos de um ambiente de trabalho. Um

rob com mais de 6 eixos denominado rob redundante, ou seja, tem mais graus de

liberdade do que o mnimo requerido para a execuo da tarefa.


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Fig. 1 Eixos de um rob.

Tipos de Robs

Os robs so classificados de acordo com o nmero de eixos, tipo de controle, tipo de

acionamento, e geometria do rob.

Existem cinco classes principais de robs manipuladores, segundo o tipo de juntas (de

rotao ou de revoluo -R-, ou de translao ou prismticas -P- ), o que permite

diferentes possibilidades de posicionamento no volume de trabalho. As cinco classes ou

geometrias principais de um rob so: cartesiana, cilndrica, polar (ou esfrica), de

revoluo (ou articulada) e SCARA (Selective Compliant Articulated Robot for

Assembly). Estes estiOs so tambm denominadossistemas geomtricos coordenados,

posto que descrevem o tipo de movimento que o rob executa.

Rob de Coordenadas Cartesianas

O rob de coordenadas cartesianas, ou rob cartesiano (fig. 2), pode se mover em linhas

retas, em deslocamentos horizontais e verticais. As coordenadas cartesianas especificam

um ponto do espao em funo de sus coordenadas X, e y Z.


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Fig. 2 Eixos de um rob cartesiano (Prismtico-Prismtico-Prismtico, PPP).

Rob de Coordenadas Cilndricas

O rob de coordenadas cilndricas combina movimentos lineares com movimentos

rotacionais. Normalmente, este tipo de rob possui um movimento rotacional na cintura

(waist) e dos movimentos lineares (fig. 3); os movimentos destes eixos descrevem um

cilindro.

Fig. 3 Eixos de um rob de coordenadas cilndricas (RPP).


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Rob de Coordenadas Polares (Esfricas)

O rob de coordenadas polares ou esfricas possui dois movimentos que so rotacionais

na cintura e ombro (waist e shoulder) e um terceiro movimento que linear. Estes trs

eixos descrevem uma esfera (fig. 4).

Fig. 4 Eixos de um rob de coordenadas polares ou esfricas (RRP).

Rob de Coordenadas de Revoluo (Articulado)

O rob de coordenadas de revoluo (ou articulado) possui juntas e movimentos que se

assemelham aos de um brao humano (fig. 5). O rob PUMA (Programmable Universal

Machine for Assembly) um dos projetos mais populares de robs articulados e foi

projetado inicialmente para cumprir com os requerimentos da indstria automobilstica.


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Fig. 5 Eixos de um rob de coordenadas de revoluo ou articulado (RRR).

Rob SCARA

O rob SCARA uma configurao recente utilizada para tarefas de montagem, como

seu nome sugere. Embora tal configurao possua os mesmos tipos de juntas que uma

configurao esfrica (Rotacional-Rotacional-Prismtica, RRP), ela se diferencia da

esfrica tanto pela sua aparncia quanto pela sua faixa de aplicao. A figura 6 ilustra a

estrutura de um rob SCARA.

Fig. 6 Eixos de um rob SCARA (RRP).


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Sensores

O uso de sensores permite que um rob possa obter informao sobre ele mesmo e

sobre seu ambiente com a finalidade de realizar a operao para a qual foi destinado,

alm de poder modific-la de acordo com tal informao. Os sensores podem ser

agrupados em duas categorias principais: sensores internos ou propioceptivos, que

fornecem informao sobre as variveis do prprio rob, e sensores externos ou

extereoceptivos, cujo objetivo obter informao do ambiente ao redor do rob.

A maior parte dos robs industriais so robs convencionais, chamados de robs de

primeiras geraes, que desenvolvem tarefas pr-programadas repetitivas, necessitando

unicamente dos sensores internos, situados nas juntas do rob, para a realizao da

tarefa.

Estes sensores podem ser codificadores ticos (encoders) do tipo incremental ou

absoluto, sincros, resolvers, potencimetros multi-volta, tacmetros, etc. Entre estes, os

codificadores ticos incrementais esto entre os sensores mais utilizados, devido a seu

baixo custo e por proporcionar uma preciso suficiente para a maioria das aplicaes.

So dispositivos eletromecnicos que convertem a rotao angular do eixo do rob em

pulsos de sada na forma de ondas quadradas. Assim, pode-se conhecer o sentido de

rotao, a posio e a velocidade de todos os eixos do rob. Este tipo de sensor interno

mostrado na figura 7.

Fig. 7 Codificador tico (encoder).


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Entretanto, embora estes sensores possam proporcionar informao sobre o estado

interno do rob, no possuem informao do ambiente externo ao rob. Tal falta de

informao do ambiente de trabalho restringe as aplicaes a casos particulares onde as

peas objeto da tarefa esto posicionadas dentro das tolerncias operacionais do rob.

Este o caso tpico da indstria automobilstica, que utiliza soldagem por resistncia,

onde as peas a processar so extremamente precisas ou apresentam caractersticas

acomodatcias, o que permite o emprego de sistemas de sujeio para fixar suas

dimensiones. Entretanto, em vrias aplicaes de robs na indstria difcil realizar um

sistema de sujeio eficaz.

O aparecimento da nova gerao de robs permitiu interconectar sensores

extereoceptivos com o controlador do rob, podendo utilizar tais sensores para obter

propriedades relevantes do ambiente, e controlar o sistema na realizao da tarefa. O

emprego de sensores externos possibilita um controle em malha fechada que permite a

realizao de aplicaes complexas, tais como agarrar objetos aleatoriamente

posicionados e orientados, seguir objetos em movimento em um ambiente 3D, realizar a

montagem de dispositivos mecnicos, realizar a inspeo/controle de qualidade de

peas, efetuar a busca e identificao de objetos, alm de se poder ter um controle muito

preciso do manipulador.

Os sensores externos normalmente encontrados nos robs industriais so sensores de

segurana para proteo humana (cortinas de luz, ultra-som, barreiras mecnicas,

dispositivos sensveis a presso, etc.), sensores de contato, sensores ticos para

determinao de distncia a obstculos e reconhecimento de objetos, sensores indutivos,

capacitivos, de efeito Hall, ultra-snicos e lser para determinao de proximidade s

peas a manipular.

Acionamento e Controle de Robs

Os eixos de um rob so acionados por atuadores. Um atuador converte algum tipo de

energia em movimento mecnico. Os trs tipos de energia mais comuns para acionar os

atuadores de um rob so:


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Pneumtica

Eltrica

Hidrulica

Os atuadores hidrulicos possuem alto torque e velocidade de resposta, sendo

adequados para atuar sobre cargas pesadas. Entretanto requerem equipamentos

perifricos, como bombas, o que implica na necessidade de manuteno frequente, alm

de gerar grande rudo. Os atuadores pneumticos so mais baratos e simples, entretanto,

no podem ser controlados com

preciso. Atualmente os motores eltricos, CA ou CC, so os mais atrativos para ser

empregados em robtica, devido a que so mais baratos e silenciosos.

O controle dos atuadores dos robs normalmente realizado atravs de dois mtodos:

servocontrolados ou no servocontrolados. Um rob no servocontrolado utiliza chaves

mecnicas (limit switches) no final do curso de cada eixo tal que o controlador

unicamente conhece quando um atuador est em uma das duas posies: iniciando ou

finalizando seu movimento. O posicionamento de cada eixo controlado por paradas

mecnicas ajustveis em lugar de ser pelo controlador. Este tipo de rob de baixo

custo e pode realizar tarefas de sequncia fixa ou varivel, por exemplo pegar objetos e

coloc-los em um determinado lugar (pick and place).

Por outro lado, os robs servocontrolados, ao utilizar sensores internos (ou

propioceptivos), podem conhecer a posio na qual se encontra cada eixo, alm de sua

velocidade. Por sua vez, o controlador pode controlar a quantidade de energia a ser

fornecida aos atuadores, com a finalidade de permitir ao rob mover com velocidade

varivel e parar em qualquer posio. Estes robs podem realizar tarefas atravs do

modoplayback (ensino e repetio) ou por programao de alto nvel.

A figura 8 mostra os componentes principais de um rob servocontrolado, composto

pelo rob, controlador e comando manual. Na figura 11 ilustram-se os componentes de

um sistema utilizado em soldagem por arco robotizada. Dois cabos de conexo existente

entre o sistema controlador do rob e o rob permitem a alimentao do mesmo e a

transmisso de sinais entre ambos. Os principais componentes do controlador so omdulo de controle (computador e software), os dispositivos de manejo de potncia,


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placas de entrada/sada de dados e os perifricos (vdeo, unidade de disco e "comando

manual"). O software que controla o rob pode ser digitado diretamente no teclado do

mdulo de controle, utilizando uma das vrias linguagens de programao de robs (por

exemplo, para o PUMA, utiliza-se o VAL II, que tambm um sistema operacional)

Fig. 8 Componentes bsicos de um rob servocontrolado.


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Fig. 9 Componentes de um sistema de soldagem robotizada que utiliza sensores de

ultra-som para busca das juntas a soldar, determina a distncia s peas e realiza o

seguimento do cordo a soldar.

Programao

Para que os robs possam realizar sua misso, necessrio program-los. O rob pode

executar as tarefas por meio de programas realizados diretamente no computador que

controla o rob, utilizando uma das vrias linguagens de programao de robs, ou

utilizar o modo "playback" para program-lo, utilizando o "comando manual" (fig. 10).Este mtodo utilizado para simplificar a programao dos robs, pois quando o rob

est no modo ensino ("teach"), pode-se mover o rob da forma desejada atravs das

teclas do comando manual. Pode-se tambm editar programas, selecionar velocidades,

mudar parmetros da tarefa (por exemplo, inserir e/ou apagar parmetros de soldagem),

etc. Uma vez programado, o rob repetir automaticamente os movimentos entre os

pontos gravados. Se um ponto necessita ser corrigido, pode-se executar o programa para

atrs passo a passo, alcanar o ponto desejado e corrigi-lo. Assim, o resultado uma

importante economia de tempo.


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Fig. 10 Aspecto de um comando manual.

Nos ltimos anos, a programao dos robs industriais evolucionou evolucionado

bastante, e atualmente eles tambm podem ser programados por:

Voz

Sistemas grficos interativos

Gerao de planos de ao

Realidade virtual, etc.

Preciso e Repetibilidade

Dois importantes parmetros caractersticos dos robs so sua preciso e repetibilidade.

Por preciso, entende-se a capacidade do rob de ir a uma posio desejada, com

respeito a um sistema de referencia fixo (normalmente a base do rob), com um erro

determinado (por exemplo 1 mm). Trata-se de preciso em posicionamento absoluto.

Por repetibilidade, entende-se a capacidade do rob de, uma vez conhecida e alcanada

uma posio, e partindo-se da mesma condio inicial, voltar a ir ("repetir") novamente

a tal posio com um erro determinado. A maioria dos manuais dos robs informa sobre

a repetibilidade do rob e no a preciso absoluta, muito mais difcil de obter [3].

Ambos os parmetros so mostrados na figura 11.


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Fig. 11 Ilustrao dos conceitos de preciso e repetibilidade.

Garras e Ferramentas

Os robs so projetados para atuar sobre seu ambiente, mas para isto devem ir dotado

em seu rgo terminal de:

a) Garras ou mos mecnicas:

Com sujeio por presso

Com sujeio magntica

Com sujeio a vcuo

Com sujeio de peas a temperaturas elevadas

Resistentes a produtos corrosivos/perigosos Dotadas de sensores, etc.

b) Ferramentas especializadas:

Pistolas pulverizadoras (pintura, metalizao)

Soldagem por resistncia por pontos

Soldagem por arco

Furadeiras

Polidoras, etc.


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A figura 12 mostra a enorme possibilidade de ferramentas e garras para robs.

Fig. 12 Diversas ferramentas que podem ser acopladas ao rgo terminal de um rob.

Aplicaes dos Robs Industriais

Os robs industriais tm fundamentalmente dois grandes grupos de aplicaes, que

obviamente se dividem em vrios outros mais, que so :

a) Manipulao de materiais diversos

b) Fabricao

Em ambos os casos o rob industrial modifica seu ambiente, seja mudando as peas de

lugar, seja criando um ambiente novo mediante a fabricao. Embora no se inclua a

montagem de conjuntos mecnicos em tais grupos de aplicaes, evidente que a

montagem constitui o topo do desenvolvimento tecnolgico na indstria, e conhecido

que na fabricao de um produto a montagem ocupa 53% do tempo, e supe 22% do

trabalho total.

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