Integração de Sistemas de Segurança e Modernização de uma Célula de Soldagem Erwin Werner Teichmann Orientador, Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, IFSC. E-mail:
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Gustavo Souza Santos Graduando, Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, IFSC. E-mail:
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Leonardo Santana Graduando, Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, IFSC. E-mail:
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Resumo- A proposta do atual projeto busca desenvolver equipamentos que melhorem o desempenho e as questões de segurança envolvidas em uma célula de soldagem robotizada, tornando-a o mais próximo possível das que encontramos atualmente nas indústrias. Para isso foi desenvolvida uma barreira de luz, de baixo custo, que delimitou a área de atuação do robô, impedindo que o operador ultrapasse esse limite pondo em risco sua integridade física, além disso, foram realizadas adequações de hardware, e de partes ligadas ao processo de soldagem como a implementação de uma nova tocha. Como resultados podemos destacar o melhor desempenho do robô durante a realização do processo de soldagem, em virtude da instalação da nova tocha, e também o corte imediato das ações do robô e da fonte de soldagem diante de situações de risco, por conta do rompimento da barreira de luz. Palavras-Chave: Célula. Soldagem. Robotizada. Barreira. Tocha.
Abstract- The purpose of the current project seeks to develop equipment to improve performance and security issues involved in a robotic welding cell, making it as close to those found in today's industrie. For this we developed a light barrier, low cost, that delimited the area of operation of the robot, preventing the operator exceeds this limit endangering their physical integrity, in addition, adjustments were made hardware, and related parties to the welding process as implementing a new torch. As a result we can highlight the best performance of the robot during the execution of the welding process, due to the installation of the new torch, and also immediate disconnection of the actions of the robot and the welding source in situations of risk, due to the disruption of light barrier. Keywords:Cell. Welding.Robotic.Barrier.Torch.
1 Introdução O avanço das tecnologias proporcionou a humanidade desenvolver sistemas capazes de substituir o trabalho do homem em situações onde as atividades realizadas são de certa forma pesadas ou desagradáveis, e é neste contexto que surgem alguns mecanismos, como os chamados robôs. Atualmente encontramos robôs realizando as mais diversas tarefas, que vão desde as áreas médicas, militares ou industriais. Na indústria o robô encontra-se realizando tarefas de manipulação de peças, pintura,
polimento
e
em
sua
grande
maioria
soldagem,
principalmente
na
indústria
automobilística. Em virtude desta grande aplicação na área de soldagem, alunos e professores do IFSC, desenvolveram uma célula de soldagem robotizada, que realiza o processo de soldagem MIG/MAG, utilizando um robô do tipo antropomórfico seis eixos. O robô modelo M-10iA da fabricante FANUC, inicialmente exercia a função de manipulador, com isso a primeira etapa de desenvolvimento da célula, foi à adaptação do robô para soldagem, ou seja, resumidamente a substituição da garra pneumática por uma tocha, e principalmente a comunicação do robô com uma fonte de soldagem. Com o objetivo de melhorar cada vez mais esta célula, deixando-a o mais próxima possível das encontradas na indústria, foi proposto um novo projeto que visa implementar sistemas de segurança e modernizar esta célula de soldagem. Se observarmos o atual cenário industrial, o que podemos ver é que se trata de algo muito dinâmico que busca se aprimorar constantemente, e essas melhorias estão ligadas a dispositivos que tornem os processos mais robustos e eficientes, e que garantam a manutenção da integridade física dos usuários envolvidos. Sendo assim as metas do projeto que aqui se segue, direciona-se a desenvolver um sistema de segurança, caracterizado pela utilização de uma barreira de luz, e ao desenvolvimento de mecanismos que melhorem a estrutura funcional do robô, o que diz respeito à integração do alimentador de arame ao “cotovelo” do robô, e também de uma tocha com um posicionamento, que aumente a liberdade na execução de diversos tipos de soldagem.
2 Objetivos Adequações eletroeletrônicas; Implementação de funções de segurança na célula, incluindo o uso de barreira luminosa simples; Projeto de novo suporte de tocha chamado Hollow Wrist ou “punho vazado”; Reprojeto e instalação do alimentador de arame diretamente no braço robotizado;
3 Desenvolvimento A célula de soldagem robotizada basicamente é um conjunto de elementos integrados, de natureza mecânica, eletrônica e toda a parte de software. Partindo deste princípio
a
sua modernização
envolve
o
aprimoramento
dos dispositivos
de
correspondentes a cada uma destas partes que a constituem. Por esse motivo o atual projeto foi divido em duas frentes de desenvolvimento, correspondentes aos módulos aos quais foram realizados trabalhos, ou seja, neste caso o mecânico e o eletrônico.
Esta divisão em módulos tem como objetivo melhorar a visualização do problema de projeto, e consequentemente a busca por soluções. O diagrama abaixo expõem cada módulo com suas respectivas etapas de desenvolvimento. Modernização Célula de Soldagem
Alimentador de Arame
Tocha
Adequações Eletrônicas
Sistemas de Segurança
Adaptação Fonte 5V
Receptor
Emissor
Módulo Mecânico
Fonte 12V
Hardware de Comunicação
Suporte Alimentador
Flange
Adequar Tocha
Barreira de Luz
Alimentação
Módulo Eletrônico
Figura 1 – Diagrama dos Módulos da Célula de Soldagem
3.1 Módulo Eletrônico O módulo eletrônico como pode ser observado no diagrama de etapas, está diretamente ligado aos padrões de segurança da célula de soldagem, o que pode ser observado pela presença das atividades correspondentes aos processos de adequação eletrônica, e desenvolvimento da barreira de luz. 3.1.1 Primeira Etapa: Adequações Eletrônicas A primeira atividade teve como objetivo realizar a adequação de partes eletrônicas da célula de soldagem. O principal foco nesta etapa do processo foi restabelecer o layout, do hardware responsável por permitir a comunicação da estação de soldagem com o computador, quando desejado enviar programas realizados em off-line, para a máquina de solda. A proposta era colocar um conector fixo a estrutura da maquina de soldagem que permitisse o acesso a sua placa principal, ou seja, o “cérebro” da maquina. Pois anteriormente o usuário para realizar a troca de programas, tinha que abrir a maquina para ter acesso a essa placa, e ai então através de um cabo flat conectar a placa de comunicação a ela. Além de consumir um tempo relativamente grande, para a desmontagem da estrutura da máquina, o usuário estava em contato com uma região eletricamente energizada, o que colocava em risco a sua integridade física. O que foi desenvolvido então foi uma placa que a equipe de projeto nomeou por “adaptador”, essa placa era constituída de um conector do tipo DB9, e um latch 10. Assim
está placa ficava no interior da maquina, do conector latch 10 partia um cabo flat que estava ligado à placa principal da maquina de soldagem, e o DB9 era a comunicação desta placa principal com o meio externo. Na placa de comunicação a alteração feita foi à substituição de conectores, que eram utilizados para cabos flat, por conectores DB9.
Figura 2 – Esquemático ISIS Adaptador
Figura 3 – Modelo 3D Adaptador
A placa de comunicação foi colocada em uma caixa de passagem, de onde nos tínhamos duas saídas, uma para a máquina de soldagem, e outra para o computador, desta forma o sistema como um todo ficou modular de maneira que quando não estava sendo utilizado poderia ser facilmente desconectado.
Figura 4 – Módulo de Comunicação
3.1.2 Segunda Etapa: Sistemas de Segurança
Esta etapa do projeto teve como meta desenvolver uma barreira de luz simples, ou seja, com baixo custo para construção, que fosse de certa forma didática aplicando os conhecimentos da área mecatrônica e que servisse de instrumento de estudo e de demonstração para os demais alunos da instituição. Essa barreira de luz, assim como as encontradas no mercado, tinha como objetivo determinar uma área restrita em torno da célula de soldagem, que quando invadida pelo o usuário da célula, tivesse a capacidade de interromper imediatamente os movimentos do robô, e desligar a fonte de soldagem. Antes de projetar os circuitos de acionamento do sistema de segurança foi realizado um estudo sobre a viabilidade da instalação da barreira de luz no robô FANUC e na fonte de soldagem. Com isso foi possível encontrar no robô quatro entradas disponíveis para a instalação de sistemas de parada de emergência, sendo que duas delas especiais para cortinas de luz, o que foi importante para o andamento do projeto, visto que foi possível contar com uma programação pré-determinada, por parte do fabricante da máquina, para este tipo de sistema de emergência. Essa programação garantiu que fosse exibido ao operador, através do display do teach pendant, uma mensagem informando que a barreira de luz foi rompida, e o mais importante é que também permitiu que fosse possível resetar a máquina pelo próprio sistema do robô, ou seja, toda vez que o feixe de luz for reestabelecido sobre o receptor da barreira de luz, após ter uma situação em que a parada de emergência foi acionada, o operador “avisa” ao robô que ele pode retornar as suas atividades, pois o sistema já se encontra no seu estado normal de funcionamento. Já em relação à fonte de soldagem foi disponibilizada uma entrada para o sistema de segurança, por sua vez quando a barrera de luz é rompida a fonte é desligada, e o operador tem que liga-la manualmente. Com a conclusão do estudo foi então desenvolvido o circuito receptor da barreira de luz, que basicamente é formado por um fototransistor, que tem como função monitorar a intensidade de luz sobre o sistema. A variação na intensidade de luz sobre o fototransistor gera uma variação de tensão, que por sua vez é controlada por um ampop comparador, o LM741.
Figura 5 – Esquemático ISIS Circuito Receptor
Essa comparação de tensão feita pelo LM741, leva em consideração as tensões geradas pela variação de luminosidade, e uma tensão de referência estabelecida pelo ajuste da sensibilidade do fototransistor, através de um potenciômetro representado no esquemático acima por RV1. Como pode ser observado no esquemático o resistor R1 e o fototransistor formam um divisor de tensão, quando o fototransistor encontra-se iluminado a resistência sobre ele é bem pequena, logo a tensão fica mais próxima do 0V e esse pequeno valor é que vai estar sobre o pino 3 do LM741, desta forma o comparador interpreta que o sistema esta normal. Já à medida que a luminosidade sobre o fototransistor vai diminuindo, a resistência vai aumentando e a tensão no pino 3 do ampop vai para próximo dos 12V, o LM741 por sua vez identifica que esta tensão é maior que a referência e satura, desta forma comanda o transistor Q1, este aciona o relé (RL1), que muda de seu estado normalmente fechado para normalmente aberto desativando as ações do robô e da fonte de soldagem. Como pode ser observado no esquemático do circuito há a presença de um LED (D1), esse componente tem como função informar o estado do sistema, quando este se encontra iluminado é porque a barreira de luz foi rompida, e não se tem incidência de luz sobre o fototransistor, caso contrario o LED encontra-se apagado. Outra observação é a existência de um botão no circuito, este elemento foi incorporado ao sistema, com o intuído de resetar circuito manualmente quando a barreira de luz fosse rompida, como a programação do robô mencionada anteriormente já permite esta ação este elemento acabou não sendo utilizado. Os elementos J1, J2 e J3 são conectores para entrada de alimentação do circuito e conexão com os pinos do relé. O emissor de luz se caracterizou pela utilização de uma caneta laser pointer, que dispõe de um diodo laser de 5mW. Algumas adaptações foram necessárias para que o sistema emissor de luz se tornasse o mais funcional possível para a aplicação ao qual seria submetido, sendo assim como ele deveria ficar constantemente ligado enquanto a célula de soldagem estivesse em modo de operação, sua fonte de energia que originalmente era através do uso de pilhas foi substituído por uma alimentação constante, adequada para o seu funcionamento, direto da rede.
Figura 6 – FONTE: http://tinyurl.com/cmhl8vf
Em relação ao posicionamento da barreira de luz em torno da célula de soldagem, foi possível instala-la em forma de “L” em virtude do layout do laboratório onde a célula encontra-se. Para direcionar o feixe de laser ao receptor foi utilizado um espelho posicionado a 45º. O desenho abaixo representa a área de atuação e a disposição da barreira de luz.
Figura 7 – Layout em SketchUp da Sala de Soldagem com Barreira de Luz
3.1.3 Terceira Etapa: Circuitos de Alimentação Para garantir que os sistemas desenvolvidos na etapa anterior tivessem um funcionamento pleno e seguro, viu-se a necessidade de se desenvolver circuitos capazes de estabilizar a tensão da rede, para uma tensão ideal as características das partes constituintes dos mesmos. O circuito receptor da barreira de luz necessitava de uma tensão de 12V, para isso utilizou-se um traffo de 12+12V (800mA) que basicamente atuava como um abaixador, modificando os parâmetros de tensão e corrente provenientes dos 220V encontrados nas saídas AC do robô FANUC. Para atuar em conjunto com o traffo, foi desenvolvida uma fonte de 12V, conforme o esquemático abaixo.
Figura 8 – Esquemático ISIS Fonte 12V
A fonte de 12V é constituída por estágio retificador, representado pelos quatro diodos, que tem como função retificar todos os pulsos que vem da saída do transformador, gerando o que se caracteriza por uma saída polarizada pulsante CC. O capacitor C3 tem como função estabilizar a tensão retificada, já o regulador de tensão 7812 (U2) vai garantir que a tensão estabilizada no estagio anterior seja continua e constante na sua saída (VO), sendo assim o capacitor C1 atua diminuindo os ruídos da tensão de saída do regulador. Como citado anteriormente o emissor de luz, teve sua fonte de energia, que até então era por pilhas, substituída por uma alimentação constante. Assim como no caso do circuito receptor, essa tensão proveniente da rede tinha que ser ajustada a tensão ideal de funcionamento do circuito da caneta laser pointer, para que o diodo emissor de luz não tivesse sua estrutura danificada. A caneta contava com três pilhas de 1,5V para o fornecimento de energia, que foram substituídas por uma fonte de 5V (0,5A), utilizada para carregar baterias de aparelhos celulares, para não danificar o diodo foi soldado um resistor de 39Ω ao polo negativo do circuito da caneta, com o objetivo de reduzir ao máximo a corrente proveniente da fonte, com isso foi possível fazer com que o sistema funcionasse com uma tensão um pouco acima do que era até então era utilizado anteriormente, com as pilhas, sem grandes riscos.
Figura 9 – Fonte Celular 5V
3.1.4 Quarta Etapa: Sistema de Fixação O sistema de fixação foi projetado especialmente com o objetivo de proporcionar aos elementos da barreira de luz, espelho, emissor e receptor, determinados graus de liberdade que auxiliassem no processo de focalização do feixe de luz sobre o fotoreceptor. Este sistema quanto a sua construção pode ser dividido em duas partes, a primeiro corresponde à fixação dos periféricos da barreira em uma estrutura feita em acrílico, como pode ser visto no desenho abaixo, representando a base de fixação do emissor.
Figura 10 – Modelo em Solidworks Sistema de Fixação Emissor
A segunda parte construtiva do sistema de fixação está diretamente ligada aos graus de liberdade citados anteriormente. Para isso foram utilizados perfis de alumínio, que são dotados de ranhuras que serviram como uma espécie de trilho, estes proporcionaram um movimento relativo na vertical da primeira parte do sistema de fixação em relação ao próprio perfil. Este conjunto foi fixado à parede, no caso do emissor e do receptor, com o auxilio de cantoneiras, estas por sua vez foram acopladas as ranhuras do perfil, garantindo mais um grau de liberdade, ou seja, o movimento relativo vertical do perfil em relação à parede.
Figura 11- Modelo em Solidworks Sistema de Fixação Emissor Completo
No caso do espelho, como tinha a função de refletir o feixe de luz na direção do receptor, além de poder se movimentar verticalmente sobre o perfil, foi utilizado um suporte articulado, cuja aplicação comercial é para suporte de sensor de alarme, que ofereceu ao sistema de posicionamento do espelho mais série de graus de liberdade.
Figura 12 – FONTE: http://tinyurl.com/6lp7nko
A seguir encontram-se as imagens dos circuitos emissor, receptor, bem como o espelho em seus respectivos sistemas de fixação.
Figura 13 – Sistema de Fixação Emissor, Receptor e Espelho.
3.2 Módulo Mecânico O módulo mecânico do projeto visou o aprimoramento dos movimentos do robô, afim de, aperfeiçoar sua estrutura e adapta-lo de forma mais eficiente à tarefa que ele exerce, fornecendo assim uma melhor precisão nos diversos tipos de solda e menores riscos de perda de graus de liberdade causados por eventuais colisões da tocha de solda com o próprio robô. Uma das adaptações realizada foi confecção de um suporte para o alimentador de arame, feito com resina de poliuretano, esse componente se encontra sobre o eixo 3 do robô e visa aproximar a alimentação de arame à tocha.
Figura 14 – Suporte Alimentador de Arame
Como o robô utilizava uma tocha, cuja aplicação de origem era para soldagem manual, a flange que a suportava não poderia ser utilizada para o modo “punho vazado”, sendo assim foi confeccionada uma flange para fixar a nova tocha ao braço, permitindo então que todos os cabos da tocha fossem passados pelo interior da estrutura do robô, e
assim dar melhor estabilidade e liberdade de movimentos. Essa peça permitiu otimizar o processo e diminuir os erros causados por eventuais colisões.
Figura 15 – Comparação entre as Tochas e Flanges
Figura 16 – Modelo em Solidworks da nova Flange
Como o processo de solda utilizado necessita de uma tocha com certo grau de inclinação, e a nova tocha apresentava um perfil reto, foi necessário entortar este equipamento para uma curvatura de aproximadamente 15°, essa adaptação permite que o robô solde também peças cilíndricas podendo atingir os pontos necessários, além de permitir um contato com a peça a ser soldada com muito mais eficiência e segurança. Em virtude das do diâmetro da tocha, e a falta de equipamento necessário para o trabalho de inclinação da mesma, foi construída uma matriz que é utilizada para envergar peças retas. Essa matriz vai em uma ferramenta denominada envergadora, e teve como objetivo entortar a tocha de forma a não danificar sua estrutura.
Figura 17- Matriz
Além dos aperfeiçoamentos da parte mecânica, foi feito uma proteção para o espelho utilizado para refletir a luz da barreira. Essa proteção foi desenvolvida para evitar possíveis colisões com o espelho e perda de foco, ou até mesmo quebra do mesmo. Essa proteção funciona como um “para-choque” protegendo-o em todas as direções, e essa segurança por ser fixa ao perfil de alumínio não possui nenhum contato com o espelho dificultando a perda de foco.
Figura 18 – Proteção do Espelho
4 Conclusão A analise dos resultados adquiridos com a instalação do sistema de segurança, baseado na utilização de uma barreira de luz, foi satisfatório, de maneira que realizou sua função adequadamente, interrompendo de forma imediata e eficaz as ações dos componentes robô e fonte de soldagem. Por outro lado algumas melhorias podem ser realizadas nos periféricos utilizados na barreira de luz, como a utilização de um sistema capaz de se moldar a frequência da fonte luminosa, filtrando e eliminando a interferência externa sobre o receptor. Em relação ao emissor de luz, seria interessante a utilização de um modulo laser comercial, ou seja, com uma estrutura eletrônica mais robusta e um feixe de luz mais concentrado, ou no caso de prosseguir com o atual emissor, poderia ser implementada uma lente capaz de diminuir a dispersão deste feixe.
A parte mecânica assim como a eletrônica, foi bem eficiente, no sentido que o suporte do alimentador de arame suportou o motor sobre o eixo de forma rígida garantindo que sua aplicação é viável, desde que se desenvolva em projetos futuros um suporte adequado para o rolo de arame. Já em relação ao material utilizado para a confecção do suporte do alimentador, a resina poliuretana, seria adequado aplicar sobre ela uma camada de outra resina, mais especificamente as utilizadas na confecção de pranchas de surf, com intuito de melhorar a sua resistência a impactos. Com relação à nova flange e tocha, foi possível observar que o comportamento do processo de soldagem melhorou, de forma que soldagem do tipo junta sobreposta, vertical e para objetos cilíndricos foram possíveis de serem realizadas graças aos graus de liberdade oferecidos pelo novo sistema. Sendo assim podemos concluir que estudo de viabilidade relacionado ao projeto implementação de sistemas de segurança e modernização de uma célula de soldagem, obteve êxito, pois todos os objetivos propostos foram realizados de forma correta e de acordo com o cronograma. 5 Referências VIANA, Fernando G. Braço robótico [modelo 3D]. http://tinyurl.com/6tgcfmu >. Acesso em 28 de fevereiro de 2012.
Disponível
em:
<
IBYTES. Esquemas Eletrônicos. Disponível em: < http://tinyurl.com/864nh4w>>. Acesso em 18 de outubro de 2011. Imagem Laser Pointer. Disponível em: < http://tinyurl.com/cmhl8vf> Acesso em 4 de julho de 2012. Imagem Suporte Articulado. Disponível em: < http://tinyurl.com/6lp7nko>. Acesso em 4 de julho de 2012.
