robÓtica industrial mecatrÔnica · montagem e soldagem. ... É o estudo, desenvolvimento e uso de...

ROBÓTICA INDUSTRIAL MECATRÔNICA

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HISTÓRICO A palavra “robô” origina-se da palavra tcheca “robotinik” que significa servo, essa sigla foi usada pela primeira vez pelo dramaturgo Karel Capek em 1921 na peça teatral Rossum’s Universal Robots(R.U.R). A peça retratava a criação de robôs para substituir o homem nos trabalhos pesados. O robô começa então a ser visto como uma máquina “humana” com inteligência e personalidade. Em 1940 o escritor norte-americano Isaac Asimov estabelece quatro leis muito simples para a róbotica:

� Um robô não pode ferir um ser humano ou, por omissão, permitir que um ser humano sofra algum mal.

� Um robô deve obedecer as ordens que lhe sejam dadas por seres humanos, exceto nos casos em que tais ordens contrariem a Primeira Lei.

� Um robô deve proteger sua própria existência desde que tal proteção não entre em conflito com a Primeira ou a Segunda Lei.

� Lei Zero : Um robô não pode fazer mal à humanidade e nem, por inacção, permitir que ela sofra algum mal(escrita em 1984).

Essas leis foram elaboradas pelo escritor em seu livro de ficção I, Robot ("Eu, Robô") que mais tarde chegou aos cinemas estrelado pelo ator Will Smith. Em 1954, George Devol cria a patente de um equipamento chamado “Programmed Article Transfer”(Máquina de Transferência Programada), a qual sua principal função era a transferência de objetos de um ponto a outro. Em 1956 George Devol e Joseph Engelberger formam a primeira empresa de robôs industriais chamada UNIMATION. Em 1961 o primeiro produto da UNIMATION chamada “Unimate” foi instalada na planta da GM em Trenton, New Jersey.



Em 1969 Victor Scheinman inventou na Universidade de Stanford, um robô articulado de 6 eixos, que ficou conhecido como braço de Stanford. Isto permitiu que o robô fosse capaz de aplicações mais sofisticadas como montagem e soldagem. Sheinman vendeu seus projetos para a Unimation, a qual o desenvolveu com o

auxílio da GM e posteriormente o comercializou como a Máquina Programável Universal para Montagem (PUMA). Em 1973 a empresa “KUKA Robotics” constrói seu primeiro robô articulado de 6 eixos conhecido como “FAMULUS”. Em 1974 a empresa “Cincinnati Milacron” introduz o primeiro robô industrial controlado por computador que move objetos em uma linha de montagem denominado T3 (The Tomorrow Tool). INTRODUÇÃO É o estudo, desenvolvimento e uso de sistemas manipuladores em aplicações industriais de manufatura em geral, com propósito único definido ou multipropósito, controlados automaticamente, programável com base em sistemas de eixos. Automação industrial e a robótica são duas tecnologias intimamente relacionadas. A robótica é considerada uma forma de automação industrial que utiliza tecnologia de robôs na produção e controle do chão de fábrica. Uma definição formal seria: “A robótica é uma ciência da engenharia aplicada que é tida como uma combinação da tecnologia de máquinas operatrizes e ciência da computação, onde o principal instrumento utilizado é o robô”. O DESENVOLVIMENTO DAS INDÚSTRIAS COM OS ROBÔS

Os principais fatores que beneficiam o desenvolvimento, foram a necessidade de realizar trabalhos complexos, que surgiram juntamente com novos processos produtivos, a partir da revolução industrial, preocupações com o aumento da produtividade, consequentemente a competividade, necessidade de redução de tempo da operação, e a busca em reduzir as oportunidades de acidentes de trabalho. Não podemos deixar de citar o grande avanço no desenvolvimento dos robôs com a invenção dos computadores em 1940, e dos sucessivos aperfeiçoamentos das partes que o constituem.



O início da era da automação industrial remonta ao século XVIII, numa altura em que as máquinas dedicadas começavam a fazer parte do processo produtivo das indústrias. A revolução industrial, tem sido um tema de crescente interesse entre todos os setores, aparentemente em grande parte devido às dúvidas sobre o seu real significado no cotidiano das pessoas e das empresas. Seus efeitos – ainda não muito claros – provocam grande entusiasmo quanto ao desenvolvimento tecnológico, mas também grande preocupação quanto aos impactos no emprego global. Recentemente, a Adidas, gigante alemã de produtos esportivos, anunciou a ampliação de seu modelo de fábrica chamado Speedfactory. Essa concepção de fábrica de alta produtividade teve início com a construção da primeira unidade Speedfactory em Ansbach, na Alemanha, no início do ano de 2016. A planta é 100% robotizada em sua linha de produção, contando com apenas dez profissionais altamente qualificados. Em agosto de 2016, a empresa anunciou sua segunda planta, localizada em Atlanta, EUA, com início das operações em 2017. Essa unidade americana irá produzir no próximo ano 50 mil pares de tênis de corrida com o apoio de 160 profissionais. Essa produção é uma pequena fração, comparada aos 301 milhões de pares produzidos pela marca em 2015. A expectativa da Adidas é que essas duas unidades da Speedfactory produzam cerca de meio milhão de pares em médio prazo. Como há uma tendência para a implantação de novas Speedfactory em outros grandes centros, esta forma de produção tornar-se-á predominante. Inclusive, esse movimento de aproximar a produção dos grandes centros consumidores, como Américas e Europa, vai se confirmando como grande tendência. Outra vantagem promovida pela proximidade física de uma planta com os mercados consumidores é o impacto nos custos de distribuição e estoque.



Dentre os principais fatores para essa mudança, está o crescente custo de mão de obra em países como China e região do sudeste asiático, onde se localiza a maioria das fabricas das empresas multinacionais, e problemas de cunho ético, como o trabalho infantil. Em um recente relatório, a consultoria BI Intelligence destacou os seguintes pontos:

� Expectativa de triplicar o número de robôs nas indústrias entre 2015 – 2021 � O setor industrial continuará sendo líder em adotar robôs. Uma pesquisa recente da

Boston Consulting Group (BCG) aponta que 44% das empresas americanas e 66% das alemãs pretendem adotar robôs autônomos em suas plantas nos próximos cinco anos.

� O aumento global dos salários é apenas um dos principais motivos da adoção de robôs.

� Robôs têm o potencial para substituir empregos, assumido as funções mais repetitivas e de força, além de novas funções, desenvolvidas especialmente para esse tipo de execução.

Quando combinamos todas essas tendências de automação, estamos nos referindo principalmente a tecnologias como robótica, inteligência artificial, manufatura aditiva (impressão 3D), sensores (IoT), e outros. Em um processo que avança cada vez mais, a substituição da mão de obra humana com o desenvolvimento das indústrias 4.0, será o principal elemento de uma 4ª revolução industrial. Não é difícil imaginar todo o ganho de produtividade e, consequentemente, os benefícios para os consumidores. Podemos incluir nessa lista, os benefícios energéticos, ambientais e urbanos. Existe muita discussão sobre os impactos dessa revolução e muitas entidades e governos vêm dando bastante atenção ao tema, onde facilmente encontramos opiniões centrais e outras bem polarizadas sobre esses impactos. Alguns argumentam que a mão de obra vai ficar mais qualificada e com salários melhores ao assumir outras funções, inclusive em novos mercados. Por outro lado, existe quem teme mais pelo fato de não acreditar que os empregos perdidos possam ser recolocados na mesma proporção. É inevitável observar que estamos iniciando uma etapa de notórias transformações, na qual a indústria e o trabalho, estudados numa visão macro, são os principais elementos de definição desse processo. Diante dos fatos estudados, sabemos que se trata de mais um momento de readaptação do homem as novas inovações.



O desenvolvimento das técnicas de produção veio criar novas necessidades só possíveis de satisfazer com máquinas programáveis e flexíveis, dando origem aos primeiros robôs industriais (Klafter et al., 1989). O uso de robôs industriais no chão de fábrica de uma empresa está diretamente associado aos objetivos da produção automatizada, a qual visa:

� Reduzir custos dos produtos fabricados, através de diminuição do número de pessoas envolvidas no produção, aumento da quantidade de produtos em um dado período (produtividade), melhor utilização de matéria-prima (redução de perdas, otimização do aproveitamento), economia de energia e etc.

� Melhorar as condições de trabalho do ser humano, por meio da eliminação de atividades perigosas ou insalubres de seu contato direto.

� Melhorar a qualidade do produto, através do controle mais racional dos parâmetros de produção.

� Realizar atividades impossíveis de serem controladas manualmente ou intelectualmente, como por exemplo, a montagem de peças em miniatura, a coordenação de movimentos complexos e atividades muito rápidas (deslocamento de materiais).

VANTAGENS E DESVANTAGENS

Os benefícios adquiridos com a aplicação da robótica industrial trazem ao processo empregado:

• Mais rapidez na produção • Maior qualidade nos produtos; • Menos tempo para refazer a linha de montagem para

novos produtos • Custo baixíssimo para se manter (em comparação com o gasto com Recursos

Humanos e Direitos do Trabalho) • Produção ininterrupta.

Por outro lado podemos observar fatores não tão favoráveis

• Menos empregos disponíveis para a população em geral • Alto custo inicial • Necessidade de mão de obra técnica qualificada • Custo com manutenção • Mais caro se comparado ao de uma máquina / equipamento

comum • Menor movimentação financeira, devido ao baixo fluxo de

dinheiro decorrente da retirada de pessoal do mercado formal • A longo prazo provoca queda na qualidade de vida, se não

houver uma política de controle muito forte.



O principal fator que impede a adoção em massa de sistemas robotizados industriais é seu alto custo inicial. O tempo que se leva para recuperar o investimento em um robô depende dos custos de compra, instalação e manutenção. Este tempo não é fixo, depende da fábrica onde o robô é instalado e de suas aplicações. O preço de um robô será determinado por suas dimensões, grau de sofisticação e complexidade, exatidão e confiabilidade. Na especificação de sistemas automatizados utilizando dispositivos robóticos, devemos levar em consideração as seguintes condições:

� Aplicação, capacidade / carga, alcance, demanda do produto, margem de lucratividade do produto, recursos de manutenção e suporte.

� Programação e/ou operação, necessidade de redução do tempo ciclo, nível de precisão.

� Impactos na qualidade e balanceamento da linha (tempo ciclo e gargalos) linha dedicada ou multiprodutos (frequência dos setups e mudança de produtos).

Por muito tempo o único concorrente da Unimation foi a Cincinnati Milacron. Durante os anos 70, o Japão se recusou a seguir as leis de patentes internacionais permitindo que um grande número de empresas japonesas copiassem as patentes americanas e iniciassem a produção de robôs industriais similares. O interesse em robótica industrial cresceu no final dos anos 70 e muitas empresas americanas resolveram entrar nesse campo. As grandes General Eletric e General Motors se associaram com a japonesa FANUC Robotics. Em 1984, a Unimation foi adiquirida pela Westinghouse Eletric Coorporation por 107 milhões de doláres. Em 1988 a Unimation foi vendida para a francesa Staubli Faverges SCA. Atualmente, as empresas mais importantes no mercado mundial são: Adept Technology, Staubli-Unimation, ABB Asea Brown Boveri e a KUKA Robotics. No mercado brasileiro as principais marcas utilizadas são a FANUC , ABB e a KUKA

APLICAÇÕES DE ROBÔS INDUSTRIAIS Para medir o impacto dos robôs sobre o mercado de trabalho e a população de um determinado país, a Federação Internacional de Robótica (IFR, na sigla em inglês) utiliza uma métrica de densidade,

calculando a quantidade de máquinas existentes em cada nação comparadas com um grupo de 10 mil pessoas empregadas na indústria em geral. De acordo com o último levantamento da entidade, o Japão lidera a lista dos países mais robotizados do mundo, com 306 robôs para cada 10 mil trabalhadores em 2010, seguido pela Coreia do Sul e a Alemanha, com densidades de 287 e 253 robôs, respectivamente. A quantidade de máquinas nos três primeiros países do ranking (vide tabela abaixo) chama a atenção, mas nem todas as geografias avançam no mesmo ritmo. A média entre os 45 países pesquisados pela



IFR foi de 51 robôs para cada 10 mil trabalhadores em 2010. Enquanto 20 destas nações ficaram acima desta linha, outras 22 nem sequer chegaram à metade, ficando abaixo da densidade de 20 robôs para cada 10 mil trabalhadores. Um exemplo é o Brasil, que aparece na 37ª posição no ranking, atrás de países como Tailândia (26ª), África do Sul (28ª), México (32ª), Indonésia (34ª) e Argentina (36ª). Apesar do forte crescimento de 7,5% no Produto Interno Bruto (PIB) registrado no ano retrasado, o Brasil ainda tem densidade inferior a 10 robôs para cada 10 mil trabalhadores, um indício de que a indústria nacional ainda deve se modernizar para elevar a competitividade e a produtividade a nível global. A operação e manipulação de materiais, soldadura, pintura a spray, operações com ferramentas diversas, podendo estas serem adaptadas ao robô. São ações muito utilizadas em operações onde é oferecido ao ser humano algum (ambiente inóspito) risco seja a curto ou longo prazo (esforços repetitivos, trabalhos com produtos químicos ou submetidos a elevadas temperaturas). TIPOS DE JUNTAS ROBÓTICAS Juntas são eixos que permitem aos robôs se moverem em várias direções denominadas como graus de liberdade e a principio pode ser linear ou rotacional. Em robótica geralmente utiliza-se dois tipos básicos de juntas para compor um par cinemático formado por dois elos adjacentes: junta de rotação ou junta prismática (translação). O uso destas juntas visa tornar mais simples o processo de montagem e/o fabricação dos componentes mecânicos que compõe uma junta. Outra vantagem refere-se ao controle do movimento relativo entre os elos que depende de apenas uma variável de posição. O número de graus de liberdade que um robô apresenta é o número de variáveis independentes de posição que precisam ser especificadas para se definir a localização de todas as partes do mecanismo, de forma inequívoca. O robô industrial é normalmente uma combinação de elos e juntas em forma de cadeia cinemática aberta. Portanto, o número de juntas equivale ao número de graus de liberdade.

FUNCIONAMENTO E UTILIZAÇÃO DE SENSORES O encoder, seja ele incremental ou absoluto, é um dispositivo usado na automação industrial, que transforma o movimento rotatório em um trem de pulsos elétricos através da detecção fotoelétrica, pela passagem da luz através de um disco codificado, firmemente encaixado ao eixo de um motor ou em dispositivos mecânicos, que transformem o deslocamento linear em deslocamento circular. Este sistema pode ser usado para detectar a posição de distâncias superior a 0,01mm. O encoder incremental gera um pulso para cada unidade de deslocamento. O encoder absoluto gera um código binário para cada unidade de deslocamento, revelando ai um importante diferencial em relação ao encoder incremental, pois os encoders absolutos não perdem a real posição no caso de uma eventual queda da tensão de alimentação (até mesmo se deslocados).



Quando voltar a energia ao sistema, a posição é atualizada e disponibilizada para o mesmo (graças ao código gravado no disco do encoder) e, com isso, não se precisa ir até a posição zero do encoder para saber a sua localização como é o caso do incremental. A conexão do encoder com o eixo do motor deve ser feita através de um sistema de amortecimento que consiste em uma espécie de mola que amortecem as acelerações e desacelerações do sistema evitando danificar o disco codificado do encoder, este componente é chamado de acoplamento flexível. PROGRAMAÇÃO DE ROBÔS INDUSTRIAIS Na programação on-line pegam-se e colocam-se os objetos (peça-produto, Jigs de fixação e posicionamento, robôs, periféricos, etc...) ao redor da própria produção, envolvendo-os na célula de trabalho. O robô e todo o sistema (célula de trabalho) são integrados e programados com o auxílio de um “Teach Box”. A mais significativa vantagem da programação on-line é que o robô é programado em concordância com a atual posição dos equipamentos, Jigs e peças. Contrariamente, a mais significativa desvantagem é que ela fica na posse, ou seja, utilizando-se dos equipamentos valiosos. A programação "online" de um robô pode consumir muito tempo evoluindo proporcionalmente com o aumento da complexidade das tarefas. Em muitas aplicações envolvendo processos de produção em massa, tais como soldagem a pontoem linhas de produção automobilísticas, os requisitos temporais de reprogramação devem ser minimizados ao máximo. VANTAGENS E DESVANTAGENS DA PROGRAMAÇÃO Na programação off-line, pegam-se e colocam-se os objetos (peça-produto, Jigs de fixação e posicionamento, robôs, periféricos, etc...) dentro de um computador e são usados modelos da célula de trabalho com robô, peças e ambientes. Os programas de robôs podem, em muitos casos, serem criados pela reutilização de dados de CAD (desenhos eletrônicos) existentes de forma que a programação seja rápida e efetiva. Os programas de robô são verificados dentro de simulações e qualquer erro é corrigido imediatamente. Frente a essas informações podemos dizer que a programação off line traz a redução do tempo ocioso, permanência ambientes perigosos, Sistema Simplificado de Programação, redução índice re-treinamento. Em contrapartida a programação off-line necessita obrigatoriamente da existência de um modelo teórico do robô e do ambiente; o objetivo é usar este modelo para simular o comportamento real do robô, neste processo encontrasse basicamente três problemas principais:

� Dificuldade em desenvolver um sistema de programação generalizado que seja independente do robô e de suas aplicações.

� Para reduzir a incompatibilidade entre robôs e sistemas de programação faz-se necessário a definição de padrões para as interfaces.

� Programas gerados em off-line devem levar em conta os erros e imprecisões que existem entre o modelo idealizado e o mundo real.

PRECISÃO DO MOVIMENTO DEFINIDA EM FUNÇÃO DE TRÊS CARACTERISTICAS: � RESOLUÇÃO - grandeza relacionada ao grau de precisão de leitura do sensor (no caso o

encoder) REPETIBILIDADE - Variação dos valores lidos quando uma mesma característica é medida várias vezes (o valor deve se repetir), ou seja, é a capacidade de repetir a medição.

� PRECISÃO - diferença entre o valor real e o valor medido pelo sensor. � REPETIBILIDADE - entende-se a capacidade do robô de, uma vez conhecida e alcançada

uma posição, e partindo-se da mesma condição inicial, voltar a ir ("repetir") novamente a tal posição com um erro determinado. A maioria dos manuais dos robôs informa sobre a repetibilidade do robô e não a precisão absoluta, muito mais difícil de se obter.

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