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Conceção e simulação de uma célula robótica para operações de

1. Conce o e simula o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras feitas em materiais comp sitos Daniel Filipe C ndido Angelino Disserta o do MIEM Orientadores Prof Paulo Augusto Ferreira de Abreu Prof Ant nio Manuel Ferreira Mendes Lopes PORTO FEU FACULDADE DE ENGENHARIA UNIVERSIDADE DO PORTO Mestrado Integrado em Engenharia Mecanica Opcao de Automacao Julho de 2012 li Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Aos meus pais iii iv Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Resumo 2 A automa o um elemento cada vez mais presente no nosso quotidiano n o s em termos industriais mas tamb m ao n vel social A automatiza o de processos industriais adotados pelas empresas tem uma import ncia fulcral para o aumento de produtividade e qualidade dos produtos finais A introdu o dos rob s industriais em linhas de produ o e em particular nas opera es de acabamento surge naturalmente atrav s do desenvolvimento de mecanismos capazes de realizar tarefas que exigem uma m o de obra qualificada com custos associados mais reduzidos sem que haja quebras na produ o Na produ o de guitarras feitas em ma
2. o e velocidade e observa o dos respetivos resultados poss vel tamb m tirar algumas conclus es Em primeiro lugar a qualidade do acabamento est diretamente relacionada com a velocidade de avan o do rob e quanto maior for este par metro pior ser a qualidade do acabamento Este aspeto deriva essencialmente da fraca rigidez do suporte da ferramenta utilizado ou seja como a velocidades superiores a for a de contacto superior existe uma maior flex o do suporte e como tal uma varia o entre a trajet ria percorrida e a trajet ria programada Por outro lado se a velocidade for muito baixa o acabamento da resultante n o de todo desej vel devido elevada temperatura que atingida na superf cie de corte A an lise das for as de contacto envolvidas foi particularmente til para o posterior uso do controlo de for a uma vez que se obteve um primeiro valor de refer ncia para este par metro Relativamente aos cortes na guitarra os ensaios efetuados revelaram numa primeira inst ncia que a calibra o da c lula rob tica um aspeto essencial para que todo o processo 76 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras seja realizado da melhor forma Isto a calibra o surge como um complemento a todo o procedimento de programa o off line assegurando uma transi o correta entre o ambiente virtual e o ambiente real Tendo em conta que se trabalhou com pe as de el
3. Procedimento automatico para calculo do Tool Center Point Ap s definir estas quatro orienta es o pr prio controlador calcula o valor do tool center point sempre em rela o ao referencial tool0 Na Figura 3 5 pode observar se o TCP criado em ambiente virtual De notar que para todas as trajet rias e simula es geradas este referencial fundamental uma vez que indica onde a extremidade da ferramenta da c lula real se vai posicionar Figura 3 5 Tool Center Point criado na ferramenta utilizada Ap s ter se definido o valor do tool center point efetuou se outro procedimento autom tico que permitiu obter o peso de toda a interface e ferramenta bem como o seu centro 34 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras de gravidade recorrendo ao sensor de for a do rob Na Tabela 3 apresentam se os resultados obtidos nos procedimentos descritos anteriormente Tabela 3 Caracter sticas da interface utilizada com ferramenta inclu da Massa 2Kg XX yy ZZ Tool Center Point 0 0 415 mm Centro de 70 89 114 gravidade mm O referencial de trabalho workobject representa a localiza o de um dado objeto na c lula e particularmente til uma vez que na programa o do rob os pontos das trajet rias geradas ficam definidos em rela o a este sistema de coordenadas Dentro da mesma esta o podem ser criados v rios workobjects e asso
4. o flex vel A automa o dedicada mais indicada para tarefas espec ficas mais concretamente quando o volume de produ o elevado e portanto a parte de projeto fundamental uma vez que requer um investimento inicial muito elevado e a mudan a de componentes ou produtos pode conduzir obsolesc ncia do sistema Estes sistemas s o eficientes e fi veis e apresentam um custo de opera o relativamente reduzido Um exemplo de automa o dedicada facilmente encontrado na ind stria autom vel na produ o de componentes do motor e transmiss o como se pode verificar na Figura 1 1 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 1 1 a Linhas de transfer ncia numa f brica de produ o autom vel b produ o em s rie de blocos do motor para ind stria autom vel 2 A automa o program vel por outro lado mais utilizada quando o volume de produ o relativamente reduzido ou existe uma grande variedade de produtos a serem fabricados Neste caso o sistema de produ o facilmente adapt vel a uma varia o na configura o do produto e portanto existe a possibilidade de uma mistura vari vel de produtos caso seja uma produ o cont nua Como se pode ver pelo diagrama da Figura 1 2 a automa o flex vel est entre a automa o dedicada e a automa o program vel Parts per year Fixed automation Robotics _ tn s Flexible automation
5. es de acabamento de guitarras com os recursos utilizados para a realiza o deste projeto E ainda feita uma apresenta o das caracter sticas e potencialidades do software utilizado No terceiro cap tulo designado Programa o Off Line e Simula o de uma c lula rob tica dedicada a opera es de acabamento feita uma descri o detalhada de todos os procedimentos utilizados na programa o off line e simula o da solu o gerada No quarto cap tulo intitulado Implementa o da Solu o Desenvolvida descreve se a integra o funcional de todos os componentes utilizados na c lula rob tica Todos os procedimentos efetuados para testar e validar a solu o proposta s o detalhadamente abordados e comentados bem como todos os ensaios realizados e respetivos resultados No quinto e ltimo cap tulo s o apresentadas as Conclus es finais de todo o trabalho desenvolvido e sugeridos Trabalhos futuros que poder o de certa forma dar continuidade a esta disserta o 15 16 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 2 Arquitetura de uma c lula rob tica dedicada a opera es de acabamento e software de programa o Neste cap tulo s o estudadas solu es para a conce o da c lula robotizada que melhor satisfa am os requisitos impostos e atendam aos recursos disponibilizados feita
6. o a cria o do layout da c lula rob tica a ser utilizada e a defini o do controlador virtual Para tal teve se como base o layout da c lula real dispon vel no Laborat rio de Rob tica sendo inseridos os diferentes componentes a partir da biblioteca de modelos disponibilizada pelo pr prio software Figura 3 1 Figura 3 1 Layout da c lula virtual criada no RobotStudio 31 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Al m de diferentes componentes o software disp e tamb m de uma biblioteca de controladores baseados em layouts pr definidos No entanto o controlador pode ser obtido tendo por base o layout criado pelo utilizador Deste modo poss vel ainda configurar alguns par metros e funcionalidades do controlador consoante os requisitos da solu o a desenvolver Para esta disserta o foram definidos os par metros que possibilitaram o recurso ao controlo de for a do rob Figura 3 2 System Options Contigurethe system options Key Signature 145 Change Options E Options RW Control module key gt 625 1 Discrete Application Platform a RobotWare OS and English Farana ee TO 997 1 Robot Reference Interface 709 1 Master Slave Si L 633 1 Arc EEB Engineering Tools Misc Drive Module IT 904 1 Auto acknowledge input Key MqD3QwvFTeT 4 S E Servo motor control Key Signature 86 T 629 1 Servo Tool Control Manipulator a a ABB standard manipulator a Applicat
7. o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Refer ncias 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Koren Y 1987 Robotics For Engineers Israel McGraw Hill ABB 22 de Setembro de 2011 ABB robots deployed at HAVAL H6 SUV production line Obtido em Marco de 2012 de http www abb com cawp seitp202 8fe lafeSee6f53ddc 12579230062ba8a aspx Fixell P Groth T amp Isaksson M 2007 A touching movement ABB Review Teresko J 1 de Julho de 2005 New Roles For Robots Obtido em Margo de 2012 de http www industryweek com articles new_roles_for_robots_10443 aspx Pushcorp s d Obtido em Mar o de 2012 de New Roles For Robots ATI Industrial Automation s d Obtido em Abril de 2012 de http www ati ia com Robot Programming for everyone 5 de Maio de 2008 Obtido em Abril de 2012 de SME Robot http www smerobot org 14_automatica Simulation Solutions s d Robcad OLP Obtido em Abril de 2012 de http www simsol co uk robotic_simulation_robcad_olp php Juma R R Junho de 2011 Obtido em Marco de 2012 de http blogdojuma blogspot pt 201 1 06 primeira guitarra eletrica do mundo html Johnnyquickparts 21 de Marco de 2011 Hypnotic footage of a guitar being CNC machined Obtido em Maio de 2012 de http johnnyquickparts blog
8. tica para opera es de acabamento de guitarras Coment rios Neste ensaio a trajet ria percorrida j esteve mais coerente com a que foi programada ainda que fosse necess rio corrigir a cota de duas das quatro sec es da trajet ria Para este ensaio a maior dificuldade foi lidar com da fraca rigidez do suporte da ferramenta ou seja enquanto que no primeiro ensaio o offset gerado garantia alguma margem de manobra perante eventuais erros de posicionamento associados flex o do suporte neste segundo ensaio tal offset n o se verificava e portanto o erro de posicionamento derivado da flex o sofrida pelo suporte da ferramenta foi not rio danificando parcialmente a pe a em algumas zonas como se pode observar na Figura 4 21 Ensaio 3 Neste ensaio utilizou se a mesma trajet ria do ensaio anterior Figura 4 22 mas desta feita utilizando o controlo ativo de for a As condi es do ensaio bem como os resultados obtidos s o indicados de seguida Figura 4 22 Trajet ria utilizada no trimming do corpo da guitarra no ensaio 3 67 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Condi es n Controlo de for a FC_SpeedChangeProcess 7 Refer ncia 20 N n 2 patamares de velocidade 7 Velocidade de avan o do rob 5 50 mm s 7 Velocidade de rota o da ferramenta 35000 rpm E Zone mm Offset O mm Resultados Figura 4 23 Resultado final do ensaio 3 Comen
9. Modelagem computacional de um rob aplicado em processos de usinagem Universidade de S o Jo o Del Rei 33 Barbosa J P 2010 Concep o e Simula o de C lula Robotizada para Opera es de Acabamento Porto Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 82 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 34 Rodrigues N F 2011 C lula Rob tica Industrial Aplica o de Ferramentas CAD CAM na programa o de rob s Porto Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 35 Viana Diogo Gigante 2010 Desenvolvimento de uma Solu o Rob tica para Opera es de Acabamento de Solas de Sapatos Porto Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 36 Abreu P Setembro de 2011 Manual de Utiliza o RobotStudio 5 14 01 Porto Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 37 ABB 2004 RAPID reference manual 38 ABB 2008 The optimised pre machining robot Obtido em Mar o de 2012 de http labintsis com roboti abb roboti lang en 83
10. Production volum Programm ble automation 30 1000 of different Product variety pars Figura 1 2 Rela o entre automa o dedicada automa o program vel e automa o flex vel em fun o do volume e variedade de produtos 1 Pela sua posi o relativamente aos outros tipos de automa o presum vel que a automa o flex vel tenha um pouco das caracter sticas tanto da automa o dedicada como da 2 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras automa o program vel Verifica se ent o que a automa o flex vel program vel para diferentes configura es de um dado produto mas a variedade dessas configura es de certa forma limitada Uma das principais diferen as entre automa o flex vel e automa o program vel que nesta ltima os produtos s o produzidos em lotes e no fim do processo o produto pode ser reconfigurado na automa o flex vel podem ser produzidos v rios produtos ao mesmo tempo no mesmo sistema de produ o Os rob s industriais s o utilizados como se pode ver na Figura 1 2 quer em sistemas de automa o flex vel quer em sistemas de automa o program vel 1 1 Automa o e Rob tica Um rob industrial segundo a RIA Robotics Industries Association pode ser definido como um manipulador multifun es desenhado para movimentar material pe as ou mecanismos especializados atrav s de v rios movimentos program v
11. ainda uma abordagem das caracter sticas gerais ao software utilizado 2 1 Layout de uma c lula robotizada Tipicamente o conceito de c lula robotizada subentende a presen a de v rios elementos Esses elementos geralmente compreendem a exist ncia de um rob e respetivo controlador uma ferramenta transportada pelo rob ou fixa um sistema de posicionamento eventualmente um sistema de alimenta o remo o dos produtos e mecanismos de seguran a A c lula robotizada que se pretende implementar nesta disserta o compreende apenas os sistemas b sicos o rob e respetivo controlador ferramenta e sistema de posicionamento De um modo geral uma c lula rob tica pode apresentar dois tipos de configura o rob centrado na c lula Figura 2 1 ou rob em linha com o sistema de transporte No primeiro caso o rob encontra se posicionado no centro da c lula com os restantes equipamentos dispostos em seu redor No caso de o rob estar em linha com o sistema de transporte Figura 2 2 como o pr prio nome indica o rob est disposto de forma alinhada com os sistemas de transfer ncia de produtos 17 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 2 2 Layout t pico de c lula rob tica com rob em linha 18 2 2 Recursos utilizados Rob Para a realiza o desta disserta o utilizou se o rob da ABB modelo IRB 2400 16 Figura 2 3 dispon vel no laborat rio
12. aram a apostar no alum nio Figura 1 11 a tornando se ent o num dos materiais alternativos mais populares para a produ o de guitarras Apesar do processo manual no fabrico de guitarras ser ainda hoje um m todo bastante utilizado foi nesta altura que se come aram a introduzir os sistemas CAD CAM na produ o de guitarras Figura 1 10 a Estes sistemas permitiram o aumento da produtividade sem perda de qualidade ou precis o no corte no entanto o acabamento final continua ainda hoje a ser praticamente feito manualmente Figura 1 10 b 10 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras ii Figura 1 10 Processo de produ o de guitarras a automatizado 10 b manual 11 Mais tarde surgiu a fibra de carbono Figura 1 11 b como material alternativo madeira A primeira solu o feita com este material surgiu por volta de 1970 mas ainda hoje uma rea em grande desenvolvimento para que se consigam criar guitarras que combinem a elevada resist ncia com o baixo peso sem afetar a qualidade ac stica do produto final Figura 1 11 Exemplo de guitarra a feita em alum nio 12 b feita em fibra de carbono 13 Fundada em 2008 a Ideia m a empresa respons vel pela cria o da AVA Figura 1 12 uma guitarra feita em fibra de carbono com metade do peso de uma guitarra tradicional e insens vel temperatura e humidade 11 Conce o de uma c lula rob tica p
13. aspeto da pe a ap s o corte Como se pode comprovar a trajet ria percorrida foi bastante linear e o aspeto visual aceit vel Os valores das for as de contacto lidas pelo sensor de for a podem ser observados na Figura 4 7 Neste caso a for a m xima gerada em yy foi cerca de 9 N 1 1 1 1 1 1 I E 36 0000 36 5000 37 0000 37 5000 38 0000 38 5000 X 39 5000 dia lt a Zona de aproxima o Zona de corte Zona de afastamento Figura 4 7 Leitura do sinal proveniente do sensor no ensaio 1 Ensaio 2 Condi es m Velocidade de rota o da ferramenta 35000 rpm Velocidade de avan o do rob 5 mm s n Zone mm 55 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Resultados O resultado obtido est ilustrado na Figura 4 6 Neste caso a for a m xima gerada em yy foi cerca de 4 N como se pode verificar na Figura 4 8 53 741 Zona de corte Zona de afastamento Figura 4 8 Leitura do sinal proveniente do sensor no ensaio 2 Ensaio 3 Condi es Velocidade de rota o da ferramenta 35000 rpm n Velocidade de avan o do rob 20 mm s n Zone 1 mm Resultados Na Figura 4 6 pode observar se o aspeto da pe a ap s o corte Verifica se que a trajet ria percorrida foi pouco linear principalmente na parte final 56 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Os valores das for as de contacto podem ser
14. de trajet rias tornou se uma mais valia em todo o processo de programa o off line uma vez que bastante intuitivo poupando assim tempo em todo o processo de gera o de trajet rias e programa o No entanto o facto de se estar a trabalhar com uma pe a com geometria de elevada complexidade dificultou o processo de simula o com especial destaque para as configura es atribu das ao rob em cada ponto da trajet ria Outro aspeto que se pode constatar devido elevada complexidade da geometria da pe a foi a cria o de um elevado n mero de pontos constituintes da trajet ria gerada prejudicando diretamente a capacidade de processamento do pr prio controlador Os ensaios efetuados comprovaram uma elevada sincronia entre o ambiente virtual e o ambiente real da c lula rob tica e aqui o facto do software possuir um controlador virtual incorporado apresentou se como uma das melhores caracter sticas do software Contudo foi necess rio intervir ao n vel do c digo RAPID e efetuar algumas corre es no pr prio programa de modo a existir uma calibra o o mais rigorosa poss vel ao n vel do posicionamento dos componentes Uma vez que este tipo de solu o constitui uma novidade no setor industrial o projeto desenvolveu se no sentido de validar os m todos propostos para uma industrializa o e integra o da solu o numa linha de produ o Atrav s da an lise dos ensaios de cortes transversais em controlo de posi
15. dentro deste extra do atrav s de uma bomba de v cuo criando no seu interior uma atmosfera de press o que provoca a consolida o de toda a estrutura Este processo um dos mais utilizados na ind stria e tamb m um dos mais antigos uma vez que de f cil aprendizagem e execu o contudo tem como desvantagem o facto da qualidade final do produto estar muito dependente da habilidade do laminador Figura 1 13 Processo manual de fabrico da guitarra em fibra de carbono 14 Ap s este processo resultam duas pe as s lidas que ap s colagem formam o corpo da guitarra Antes deste processo de colagem necess rio uma opera o de acabamento para remover todo o material em excesso na aresta das pe as resultante da opera o de moldagem Este processo designa se habitualmente por trimming 13 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 1 6 Objetivos e estrutura da disserta o A evolu o tecnol gica mais concretamente a introdu o dos rob s industriais em opera es de acabamento e o processo de produ o de guitarras em materiais comp sitos t m uma grande import ncia para a defini o dos objetivos desta disserta o 1 6 1 Objetivo principal da disserta o O principal objetivo desta disserta o a conce o e simula o de uma c lula rob tica dedicada a opera es de trimming de guitarras feitas em materiais comp sitos A avalia o experimental d
16. foram feitos estudos que conduziram aplica o de rob s articulados em opera es de maquinagem e opera es de acabamento tais como rebarbagem lixagem e polimento Figura 1 4 tirando assim partido de uma das principais caracter sticas dos rob s industriais a elevada repetibilidade Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 1 4 a Rob dedicado a opera es de maquinagem b opera es de polimento c opera es de soldadura 5 1 1 1 Rob tica em opera es de rebarbagem A rebarbagem um processo de acabamento que tem como objetivo a corre o de irregularidades em arestas ou apenas protuber ncias superficiais que necessitam de ser removidas em pe as fundidas soldadas ou maquinadas sendo um processo bastante importante ao n vel de qualidade e est tica da pe a A rebarbagem pode ser feita por v rios m todos qu micos t rmicos ou mec nicos No m todo mec nico utilizada uma ferramenta abrasiva constitu da por part culas de material de elevada dureza Os rob s industriais s o cada vez mais utilizados em opera es de rebarbagem Figura 1 5 devido sua elevada repetibilidade al m de que n o sofrem de fadiga comparativamente a um oper rio No entanto a maioria dos rob s utilizados em opera es de rebarbagem s o programados manualmente o que requer um grande investimento em tempo de programa o Este um aspeto que explica a aus
17. gerar as trajet rias com o Machining Power Pack seleciona se a superf cie a trabalhar e posteriormente s o automaticamente identificadas as trajet rias que podem ser geradas nessa superf cie incluindo em cada uma todos os pontos necess rios 26 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Com esta extens o tamb m poss vel gerar as diferentes trajet rias nos diferentes modos de controlo controlo em posi o e velocidade NormalProcess e controlo ativo de for a Neste ltimo existem dois modos distintos o JFC PressureProcess e o FC SpeedChangeProcess No primeiro caso s o definidas tr s for as de refer ncia correspondendo cada uma a cada um dos eixos cartesianos e o controlador atua sobre a trajet ria programada alterando a de maneira a manter essas for as constantes Para tal a trajet ria programada pode eventualmente n o ser cumprida o que na aplica o estudada n o de todo desej vel No caso do FC SpeedChangeProcess definida uma for a de refer ncia e ao longo da trajet ria o controlador altera a velocidade de avan o do rob dentro de um determinado limite em fun o da for a registada tendo em conta esse valor de refer ncia Ou seja quando a for a ultrapassa esse valor de refer ncia a velocidade do rob diminui se por outro lado a for a registada pelo sensor for inferior refer ncia a velocidade de avan o aumenta Tanto a refer ncia da for a co
18. interempresas net 22 Motoman s d Obtido em Junho de 2012 de www motoman com 23 ABB 2010 Application Manual Force Control for Machining Controller software IRC5 Robotware 5 13 24 RobotMaster s d Obtido em Abril de 2012 de Solving programming challenges http www robotmaster com benefits php 25 Murphy K M Norcross R J amp Proctor F M s d CAD Directed robotic deburring EUA Robot Systems Division National Bureau of Standards 26 Groover M P Weiss M Nagel R N amp Odrey N G 1986 Industrial Robots Technology Programming and Appplications Singapore McGraw Hill 27 Solvang B Sziebig G amp Korondi P 2007 Robot Programming in Machining Operations 28 Matsuoka S i Shimizu K Yamazaki N amp Oki Y 1999 High Speed en milling of an articulated robot and its characteristics Japan Elsevier Science SA 29 Zhang H Wang J Zhang G Gan Z Pan Z Cui H et al 2005 Machining with Flexible Manipulator Toward Improving Robotic Machining Performance EUA IEEE 30 Abele E Weigold M amp Rothenbiicher S 2007 Modeling and Identification of an Industrial Robot for Machining applications Darmstadt University of Technology Germany 31 Hsu F Y amp Fu L C 2000 Intelligent Robot deburring using adaptative fuzzy hybrid position force control TEEE 32 Campos F d Filho A C amp Pina A C 2010 Estudo e
19. ncia de rob s a efetuar opera es de rebarbagem em algumas empresas uma vez que n o se justifica tal investimento no tempo de programa o Foi com base neste aspeto que v rias marcas desenvolveram softwares que atrav s de modelos CAD 3D das pe as geram automaticamente as trajet rias para as opera es de rebarbagem Um exemplo o Machining Power Pack que uma extens o do software RobotStudio da ABB e dedicado a opera es de acabamento Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 1 5 Manipulador com ferramenta dedicada a opera es de rebarbagem 5 1 2 Rob Industrial vs CNC Como j foi anteriormente referido uma das grandes vantagens dos rob s industriais a sua elevada repetibilidade que pode ser at 0 02 mm consoante o modelo e aplica o e traduz a capacidade do rob regressar sempre ao mesmo ponto que foi ensinado independentemente da carga velocidade ou trajet ria desde que situadas dentro da gama suportada pelo rob Os rob s industriais possuem v rias vantagens em rela o s tradicionais m quinas de CNC tais como maior flexibilidade menor custo inicial etc Recentemente t m sido feitos v rios estudos utilizando a aplica o de controlo de for a em opera es de acabamento de maneira a colmatar uma grande desvantagem dos rob s em rela o s m quinas CNC a sua baixa rigidez Estima se que a rigidez de um rob seja cerca d
20. o ao processo de importa o para o software de programa o nomeadamente extens o escolhida Quanto interface e ferramenta utilizada foi necess rio um trabalho de modela o e posteriormente importada a partir do RobotStudio 47 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras tendo igualmente aten o extens o utilizada Ap s ter sido feito todo este processo de importa o de geometrias e cria o da c lula virtual necess rio um especial cuidado e estudo pr vio dos sistemas de coordenadas a serem utilizados tanto para o caso da ferramenta como para o caso da pe a O recurso ao Machining Power Pack tornou todo o processo de gera o de trajet rias bastante expedito possibilitando obter rapidamente as primeiras solu es do trimming das pe as constituintes da guitarra Foi no entanto necess ria uma observa o rigorosa a todo o programa gerado com especial aten o s configura es do rob uma vez que se tratam de pe as com geometria de elevada complexidade No caso particular do uso do controlo de for a notou se alguma limita o do software mais concretamente no programa RAPID gerado devido ao facto de n o ser poss vel realizar a simula o do controlo de for a Em suma o RobotStudio apresenta se como uma op o v lida para a programa o off line de c lulas robotizadas dedicadas a opera es de acabamento contudo a sua aplicabilidade apenas
21. o correta 72 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras N o tendo no entanto sido poss vel identificar as causas do n o funcionamento da rotina de calibra o com os dados reais da c lula foi decidido n o utilizar esta funcionalidade 4 5 An lise de cortes ao corpo da guitarra utilizando o novo suporte da pe a Tendo em conta que a utiliza o da rotina de calibra o autom tica conduziu a resultados pouco satisfat rios a alternativa encontrada foi proceder a uma calibra o do modelo Para tal identificaram se cinco pontos da c lula real e utilizou se essa informa o para reposicionar a pe a em ambiente virtual e procedeu se programa o da trajet ria Figura 4 28 Figura 4 28 Trajet ria gerada no bra o da guitarra Os resultados deste ensaio est o representados nas Figuras 4 29 e 4 30 Na zona assinalada da Figura 4 29 houve um sobreaquecimento da superf cie devido reduzida rea de corte da ferramenta Verificou se que neste ensaio mesmo recorrendo a uma base de suporte mais adequada ainda necess rio dispor de um sistema de fixa o auxiliar da pe a para que esta n o sofra varia es no posicionamento nas zonas mais cr ticas resultante da for a exercida pelo rob Esta varia o de posicionamento foi notada tanto na zona assinalada da Figura 4 29 onde a ferramenta entrou em contacto com o material como na zona assinalada da Figura 4 30 onde ho
22. o da superf cie lateral com opera o de corte lateral 44 Figura 3 18 Configura o resultante da sele o da superf cie lateral com opera o de corte LATER cos Goat seats o cs ae Donde ral e June tet Ses mp ad foe eae 28 44 Figura 3 19 Sele o da superficie de topo com opera o de corte de topo 45 Figura 3 20 Configura o resultante da sele o da superf cie de topo com opera o de corte TErTAMEN A c5ssersasnrssiinadtunges n testa nest tra dna a a e da and US a eide 50 Figura 4 2 Gr fico do ensaio de resist ncia flex o 51 Figura 4 3 Calibra o da pe a a trabalhar real vs virtual 52 Figura 4 4 Trajet ria utilizada para realiza o de pequenos cortes ssseseeeesereeresrrererreeseee 53 Figura 4 5 Sinal no sensor de for a na realiza o de um primeiro teste 53 Figura 4 6 Numera o dos diferentes ensaios realizados com respetivos resultados finais 54 Figura 4 7 Leitura do sinal proveniente do sensor no ensaio 1 55 Figura 4 8 Leitura do sinal proveniente do sensor no ensaio 2 56 Xiv Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 4 9 Leitura do sinal proveniente do sensor no ensaio 3 57 Figura 4 10 Leitura do sinal proveniente do sensor no ensaio 4 58 Figura 4 11 Leitura do sina
23. observados na Figura 4 9 Neste caso a for a m xima gerada em yy foi cerca de 24 N Zona de aproxima o Zona de corte Zona de afastamento Figura 4 9 Leitura do sinal proveniente do sensor no ensaio 3 Ensaio 4 Condi es m Velocidade de rota o da ferramenta 35000 rpm 7 Velocidade de avan o do rob 30 mm s Zone mm Resultados Verifica se que a trajet ria percorrida foi muito pouco linear em todo o percurso e o aspeto visual do acabamento pouco aceit vel Figura 4 6 Neste caso a for a m xima gerada em yy foi cerca de 26 N Figura 4 10 57 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras SS OR DRA Zona de aproxima o Zona de Zona de afastamento corte Figura 4 10 Leitura do sinal proveniente do sensor no ensaio 4 Ensaio 5 Condi es Velocidade de rota o da ferramenta 35000 rpm m Velocidade de avan o do rob 30 mm s 7 Zone fine Resultados O resultado obtido est ilustrado na Figura 4 6 Verifica se que a trajet ria percorrida foi pouco linear em todo o percurso piorando ainda mais na parte final Os valores das for as de contacto lidas pelo sensor de for a podem ser observados na Figura 4 11 Neste caso a for a m xima gerada em yy foi cerca de 36 N 58 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 320000 34 0000 36 0000 Zona de aproxima o Zonade Zona de afastament
24. poder ser confirmada na c lula real Apesar de ter algumas limita es um software bastante expedito tornando todo o processo de programa o mais simples O recurso ao Machining Power Pack revelou se bastante produtivo uma vez que se despendeu relativamente pouco tempo em todo o processo de programa o mais concretamente na gera o de trajet rias 48 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 4 Implementa o da Solu o Desenvolvida Neste cap tulo feita uma an lise funcional aos recursos utilizados e posteriormente testada a aplicabilidade da solu o desenvolvida Todos os procedimentos adotados na realiza o dos ensaios s o aqui detalhadamente apresentados e explicados bem como os respetivos resultados experimentais 4 1 An lise funcional da ferramenta e base de suporte Como j foi referido anteriormente optou se por adaptar uma ferramenta id ntica quela que utlizada pela empresa Ideia m no processo manual atrav s da cria o de uma interface apropriada Ap s a integra o da ferramenta na c lula rob tica verificou se que o facto do tool center point ficar bastante afastado da flange do rob gera um momento fletor elevado podendo acarretar problemas ao n vel da exatid o posicional da ferramenta e assim afetar a qualidade final do acabamento Assim sendo realizou se um ensaio onde foram aplicadas v rias cargas de peso conhecido e mediu se c
25. quickparts com 201 1 03 2 1 hypnotic footage of a guitar being cnc machined Workshops H s d THE HOFNER WORKSHOPS ELECTRIC GUITAR amp BASS GUITAR PRODUCTION Obtido em Marco de 2012 de http www vintagehofner co uk vintagehofner factory elect html s d Obtido em Marco de 2012 de Alumisonic http www alumisonic com custom 1100 html s d Obtido em Mar o de 2012 de Xoxaudio http www xoxaudiotools com Ideia m s d Obtido em Fevereiro de 2012 de Avaguitars http www facebook com avaguitars Lusa P 19 de 12 de 2012 Obtido em 12 de Fevereiro de 2012 de www publico pt http www publico pt Sociedade empresa do porto vai lancar guitarra em material composito 1471685 Franco R A 2008 Produ o de Componentes em Materiais Comp sitos por Infus o de Resina Lisboa IST 81 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 17 Robotic Cell sd Obtido em Abril de 2012 de Strip Masters http www blaststrip com robot html 18 Fanuc s d Obtido em Abril de 2012 de http www fanuc com 19 ABB 2011 Obtido em Mar o de 2012 de ABB IRB 2400 http www abb com product seitp327 657d58e39c804f64c1256efc002860a7 aspx 20 ABB 2011 Obtido em Mar o de 2012 de ABB IRBP C http www abb com product seitp327 005a650ac570f774 12577 1c0042605 1 aspx prod uctLanguage us amp country PT 21 s d Obtido em Maio de 2012 de Interempresas http www
26. real na simula o nunca totalmente exata os modelos das pe as n o t m exatamente as mesmas dimens es das pe as reais e a posi o da pr pria pe a em simula o pode n o ser exatamente igual realidade Assim ap s a exporta o dos programas gerados para o controlador real necess rio fazer uma an lise ao posicionamento da pe a da c lula real de maneira a que esteja coerente com a posi o da pe a no layout virtual 4 1 1 Corre o da posi o da pe a na c lula real Este processo de calibra o consistiu na cria o de uma outra trajet ria secund ria contendo tr s targets da trajet ria principal e posteriormente na movimenta o do rob entre esses mesmos targets posicionando assim a pe a de modo a que a posi o do modelo virtual coincidisse com a do modelo real Figura 4 3 51 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 4 3 Calibra o da pe a a trabalhar real vs virtual Ap s este processo definiu se no controlador do rob a posi o correta do workobject estrategicamente criado na simula o Assim uma vez retiradas as coordenadas do ponto real comparam se com as coordenadas do ponto criado na simula o e procedeu se respetiva corre o ao programa na consola Deste modo a c lula real fica devidamente calibrada e ap s esta fase qualquer programa gerado em simula o pode ser diretamente aplicado na c lula real 4 2
27. ria a ser gerada onde poss vel atribuir uma configura o autom tica ao manipulador bem como proceder sincroniza o com o controlador virtual Na Figura 3 13 pode se observar um exemplo de uma trajet ria gerada e correspondente orienta o dos targets constituintes Cada target definido por um referencial com o eixo xx a vermelho o eixo yy a verde e o eixo zz a azul 40 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 3 13 a Trajet ria gerada b orienta o dos diferentes targets 3 4 Trajet ria gerada e configura es do rob Estando a trajet ria e os diferentes targets definidos estes s o guardados em rela o ao workobject que foi escolhido Uma das dificuldades que surgiu nesta fase foi o facto do software gerar automaticamente a orienta o do elemento terminal nesses targets e quando o controlador virtual calcula a configura o do rob para cada um encontra v rias solu es sendo que por vezes a escolha dessa configura o n o foi a melhor tendo em conta toda a trajet ria Na Figura 3 14 poss vel observar um exemplo de como no mesmo target pode existir mais do que uma configura o Figura 3 14 Diferentes configura es do rob para o mesmo ponto 24 41 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Cada uma das diferentes configura es corresponde a uma das v rias solu es da cinem ti
28. 5 0 3 Edge 0 0 74 0 3 Edge 0 0 73 0 3 Edge 0 0 72 0 1 Edge 0 0 89 0 2 Edge 0 0 85 0 2 Edge 0 0 86 0 0 Edge 0 0 87 0 0 Edge 0 0 4 0 10 percorridas Figura 3 11 Defini o do modo de gera o de trajet rias 39 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 6 Defini o da orienta o dos targets Ap s a indica o da trajet ria pretendida nesta sec o definem se as orienta es dos targets constituintes da trajet ria o ngulo de trabalho da ferramenta o offset da trajet ria em rela o aresta e alguns par metros da trajet ria de aproxima o afastamento rea de trabalho Figura 3 12 Targt gt c Work Angle deg target no eixo xx Da 1800 90008000 lt gt Travel Angle deg Rota odo owo woke target no eixo yy F Auto Calculate Spin Angle Alcance da oot o Fr 0 00 360 00 lt gt Offset XY Z mm Offset da foo fo 1 0 00 trajet ria Path Path Connection Type Approach Departing Template Parametros de aproxima o e finaliza o da Protect Distance in Path Start mm Rota o do ferramenta trajet ria 0 00 Protect Distance in Path End mm 0 00 End Target Offset X Y Z mm Target Final 300 000 3 00 Figura 3 12 Defini o da orienta o dos targets da trajet ria No final deste processo apresentada uma pr visualiza o da trajet
29. 80 i CONST robtarget pos5 925 8460 065246582 12 13 CONST robtarget cposi Posi o dos 5 targets 14 CONST robtarget cpos2 da c lula real qe CONST robtarget cpos3 posteriormente serao 16 CONST robtarget cpos4 alterados na consola 17 CONST robtarget cpos5 mw tw wan OO b A CO W e W n b coco mo PROC Calibration routine Q CalibWOBJ topoguitar posi pos2 Jeng pos apos cpos2 n ow 17 ENDPROC Figura 4 27 Cria o da instru o de calibra o na rotina gerada Ap s este procedimento exportou se o programa para o controlador real e redefiniram se novamente as posi es dos targets correspondentes c lula real designados cpos e correu se o programa na consola Com este procedimento verificou se que o controlador realizou a calibra o do workobject desejado no entanto o novo valor obtido para o workobject apresentava um erro de posicionamento elevado inviabilizando a calibra o No sentido de tentar avaliar o desempenho desta funcionalidade optou se por realizar um simples ensaio em ambiente virtual que permitisse avaliar o seu funcionamento Assim considerou se que os targets da c lula real correspondentes aos targets no modelo apenas se encontravam deslocadas numa nica dire o e de igual dist ncia segundo o mesmo eixo Ap s a execu o da rotina de calibra o em ambiente de simula o verificou se que a atualiza o do workobject sofria uma altera
30. An lise de cortes Sendo o objetivo desta disserta o verificar a possibilidade de implementar uma solu o automatizada para opera es de acabamento em guitarras efetuaram se ensaios simples para quantificar a ordem de grandeza de alguns par metros envolvidos na opera o de trimming e avaliar a sua influ ncia no resultado final da opera o Assim sendo programou se uma pequena trajet ria linear perpendicular pe a Figura 4 4 em controlo de posi o e velocidade e utilizando essa mesma trajet ria v rias vezes variaram se par metros como a velocidade de avan o do rob velocidade de rota o da ferramenta e o par metro zone nos diferentes cortes No final gerou se outra trajet ria Figura 4 15 desta feita para que realizasse um pequeno trimming da superf cie 52 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 4 4 Trajet ria utilizada para realiza o de pequenos cortes Para estes ensaios a aplica o Test Signal Viewer da ABB tornou se particularmente til uma vez que se obtiveram pela primeira vez os valores das for as de contacto envolvidas no processo De salientar que quando a ferramenta est ligada gerado um elevado n vel de ru do Figura 4 5 Sendo assim aplicou se um filtro passa baixo 100 Hz para obter um sinal mais limpo que permite identificar os valores das for as de contacto geradas Figura 4 5 Sinal no sensor de for a
31. Figura 4 24 70 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 4 24 Nova base de suporte da pe a Desta forma foi poss vel testar e analisar uma das potencialidades do Machining Power Pack indicadas na se o 2 4 1 mais concretamente a cria o de uma rotina de calibra o autom tica Para tal foram criados os 5 pontos de refer ncia que foram posteriormente comparados com 5 pontos criados na c lula real Figura 4 25 Figura 4 25 Compara o dos targets entre c lula real e virtual 71 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Verificou se que o processo autom tico de gera o da rotina de calibra o disponibilizado pelo software de programa o est incompleto n o permitindo a sua utiliza o imediata conforme referido no respetivo manual de utiliza o Foram identificados os problemas e alterada manualmente a programa o para que a rotina de calibra o possa ser utilizada Assim foi necess rio adicionar manualmente os dez targets de refer ncia c lula real mais c lula virtual e acrescentar a instru o correspondente calibra o do workobject escolhido Figuras 4 26 e 4 27 5 4 MODULE CalibData 5 6 7 CONST robtarget posi 9097 Posi o dos 5 E CONST robtarget pos2 95 targets da c lula lt CONST robtarget pos3 961 virtual 10 CONST robtarget pos4 222 680 5 75402832 8
32. a es de acabamento de guitarras calibra o e filtragem de ru do respetivamente Na Figura 2 15 pode se observar um exemplo de um gr fico obtido atrav s da leitura de sinal com este software ABE Vest Sogn Fie Commands Config Test Sigal into Neb Figura 2 15 Aspeto gr fico do sofware Teste Signal Viewer Em suma a realiza o desta disserta o implicou a instala o de v rias ferramentas inform ticas que possibilitaram a utiliza o de todos os recursos necess rios RobotWare 5 12 3023 Software do controlador real RobotStudio 5 14 02 Software de programa o off line RobotWare Machining FC GUI Software que permite a programa o em controlo ativo de for a Machining Power Pack 5 14 02 Extens o de software do RobotStudio dedicado a opera es de acabamento ABB Test Signal Viewer 30 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 3 Programa o Off Line e Simula o de uma c lula rob tica dedicada a opera es de acabamento Neste cap tulo s o abordados todos os procedimentos e considera es utilizadas na programa o off line do rob Inicialmente feita uma descri o detalhada da cria o da c lula virtual e posteriormente s o explicados todos os passos de programa o e simula o 3 1 Layout da c lula robotizada e cria o do controlador virtual 2 Um dos primeiros passos antes da programa o e simula
33. a o do RobotStudio tem como base a defini o de sistemas de coordenadas para localizar no espa o determinados objetos garantindo se assim o posicionamento relativo dos diferentes elementos da c lula Estes sistemas de coordenadas t m uma estrutura hier rquica ou seja a origem de cada referencial definida em rela o a outro referencial antecessor Foram criados v rios sistemas de coordenadas entre eles destaca se aquele que foi associado pe a a ser trabalhada e outro correspondente ponta da ferramenta Estes por sua vez est o definidos em rela o ao referencial da base do rob O referencial da ferramenta tool frame corresponde posi o e orienta o da ponta da ferramenta O pr prio software possibilita a cria o de uma ferramenta recorrendo a geometrias previamente importadas e um referencial correspondente ao Tool Center Point TCP Tendo em conta que se fez a importa o da ferramenta previamente modelada este aspeto tronou se bastante til Para tal inicialmente efetuou se o procedimento de defini o do tool center point na consola da c lula real j com a ferramenta instalada Este procedimento consiste em movimentar o rob quatro vezes at um ponto sempre com orienta es diferentes da ferramenta mas mantendo sempre a ponta desta posicionada nesse mesmo ponto Figura 3 4 33 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras lhos E Me cal Figura 3 4
34. ara opera es de acabamento de guitarras Figura 1 12 AVA Guitar guitarra em fibra de carbono produzida pela Idea m 14 Incubada no Parque de Ci ncia e Tecnologia da Universidade do Porto UPTEC a Ideia m prev arrancar com uma produ o anual de 100 a 200 guitarras el tricas e numa segunda fase atingir uma produ o anual de 2000 exemplares com um pre o base a rondar os 3000 euros e que ter Inglaterra e os EUA como principais mercados 15 A Ideia m tamb m desenvolve produtos em materiais comp sitos para a ind stria de mobili rio autom vel e aeron utica uma atividade que permite sustentar o projeto dos instrumentos musicais Como curiosidade a primeira guitarra produzida pela Ideia m foi oferecida pela Universidade do Porto ao Papa Bento XVI na sua visita cidade sendo o nico propriet rio de um modelo AVA representando um exemplo da inova o da universidade 1 5 1 Guitarras feitas em materiais comp sitos Os termos fibra de carbono ou fibra de vidro que s o maioritariamente utilizados na ind stria aeron utica e aeroespacial n o s o os mais adequados uma vez que a fibra apenas um dos constituintes da estrutura do material O outro constituinte desse material a resina que colocada sobre a fibra e que ap s um tratamento t rmico correto resulta na combina o desses dois constituintes sob a forma de um laminado com excelentes propriedades mec nicas e f sicas sendo
35. ara se ter uma primeira no o da potencialidade tanto da c lula rob tica como da pr pria solu o e para saber como variava a qualidade do acabamento em fun o de v rios par metros tornou se pertinente realizar alguns ensaios que envolvessem o corte do contorno trimming do corpo da guitarra Como tal tirando partido do procedimento explicado na sec o 3 3 programou se uma s rie de trajet rias que efetuassem o contorno parcial de uma pe a e ap s passagem do programa para o controlador real realizaram se os ensaios necess rios Teve se como preocupa o a cria o de novos targets para que tanto a aproxima o como o afastamento da zona de corte fosse o mais suave poss vel de modo a n o prejudicar a qualidade do acabamento Foi ainda criado um target de in cio e fim da trajet ria situado acima da pe a 63 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Ensaio 1 Este primeiro ensaio teve como objetivo efetuar a trajet ria indicada na Figura 4 18 As condi es do ensaio bem como os resultados obtidos s o indicados de seguida Figura 4 18 Trajet ria utilizada no trimming do corpo da guitarra para o ensaio 1 Condi es n Controlo de posi o e velocidade 7 Velocidade de avan o do rob 10 mm s m Velocidade de rota o da ferramenta 35000 rpm m Zone mm Offset 10 mm Resultados O resultado obtido est ilustrado na Figura 4 19 onde se pode ob
36. bliotecas com modelos escala real de diversos produtos tais como rob s mesas posicionadores ferramentas conveyors etc Este software compat vel com v rios formatos de ficheiros CAD o que possibilita a importa o de pe as previamente modeladas para o ambiente virtual da c lula rob tica Smart Comporert Solar Sarulsson e Modeling Simulation Omne Orne assiw SEGA Figura 2 10 Exemplo de um ambiente virtual do RobotStudio da ABB Uma outra grande vantagem da utiliza o do RobotStudio o facto de incorporar modelos virtuais dos controladores permitindo ao software realizar a verifica o de aplicabilidade do programa gerado numa c lula real em ambiente virtual Para tal o controlador virtual realiza c lculos de cinem tica inversa verificando desde logo se poss vel replicar a simula o na c lula real Outra particularidade do RobotStudio o facto deste incorporar um modelo tamb m virtual da consola de programa o do rob permitindo assim ao utilizador programar e simular num modo off line bastante realista Figura 2 11 25 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras te HotFdit X Backup and Restore z Inputs and Outputs Calibration dogging f Control Paned IBA Production window Event Log y Program Editor FePeandant Explorer amp Program Data Ge Production Manager P Log Off Figura 2 11 Consola de programa o a
37. ca inversa do rob na posi o pretendida Compete ent o ao utilizador redefinir as orienta es de alguns dos targets e escolher a configura o mais adequada do rob tendo em conta toda a trajet ria Para tal existe uma janela dedicada escolha da melhor configura o do rob para a trajet ria desejada Figura 3 15 Select Robot Config tion Cfg3 0 1 2 0 C g4 0 1 2 0 Cig5 0 3 0 0 Cfa6 0 3 4 0 Figura 3 15 Janela de sele o da configura o pretendida Na janela da Figura 3 16 encontra se uma lista de vetores em que cada um corresponde a uma configura o diferente A partir das 4 componentes de cada vetor poss vel verificar em que quadrante de uma rota o inteira est situada cada junta 42 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Select Robot Configuration Configurations Cfg1 0 1 0 0 Cfg2 0 1 4 0 Diferentes Cfg3 0 1 2 0 configura es Cfad 0 1 2 0 Cfg5 0 3 0 0 Cfa6 0 3 4 0 I Include Turns Valores da rota o de cada junta para a configura o escolhida Figura 3 16 Sele o da configura o desejada Nesta fase necess rio ter bastante cuidado no que diz respeito s configura es definidas para uma dada trajet ria Pode acontecer serem atribu das configura es bastante diferentes para essa mesma trajet ria e n o ser poss vel detetar essas diferen as graficamente Em pe as de elevada compl
38. cada junta melhorando desta forma a precis o do posicionamento absoluto do rob Tendo em conta que o rob utiliza codificadores incrementais este tipo de calibra o particularmente til quando h uma perda de energia nas baterias o que corresponde a uma perda do zero de refer ncia Um exemplo deste tipo de calibra o utilizado pela ABB na calibra o dos seus rob s antes de serem disponibilizados ao cliente o chamado m todo ABB s Absoulte Accuracy que basicamente elimina quaisquer diferen as entre a precis o do rob virtual e o rob da c lula real Este m todo consiste em ensinar ao rob 100 posi es diferentes e atrav s do sistema Leica Laser Tracker Figura 2 8 da ABB que identifica e compara essas mesmas posi es feita a compensa o necess ria para a corre o do posicionamento de modo a assegurar a m xima precis o dos rob s Figura 2 8 Calibra o de um rob ABB utilizando o sistema Leica Laser Tracker 21 23 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Calibra o da ferramenta e do Tool Center Point TCP Neste caso ensinado ao rob as caracter sticas da ferramenta peso centro de gravidade e momento de in rcia e a posi o do tool center point isto a posi o da ponta da ferramenta em rela o ao ltimo eixo do rob Estas caracter sticas s o fundamentais para um bom funcionamento do rob para posicionar corretamente a extre
39. ciar mais do que um ao mesmo objeto Assim a cada trajet ria est associado um workobject facilitando deste modo n o s a programa o em ambiente virtual nomeadamente as posi es relativas entre pontos e objetos mas tamb m a calibra o da c lula real Isto quando o programa copiado para o controlador real basta indicar ao rob a posi o correspondente do workobject e correr o programa desejado 3 3 Programa o e gera o de trajet rias Em rob tica designa se trajet ria ou path a um percurso a ser realizado pelo rob e constitu do por um conjunto de instru es de movimento entre diferentes pontos targets Essas instru es de movimento definem o tipo de movimento velocidade entre targets precis o zone ferramenta utilizada e referencial de trabalho workobject 35 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Como j foi referido a trajet ria que se pretende percorrer o contorno exterior das duas pe as constituintes das guitarras Na Figura 3 6 poss vel observar um exemplo de uma trajet ria gerada numa das pe as Figura 3 6 Exemplo de trajet ria gerada na pe a inferior da guitarra De referir que neste processo de simula o virtual tanto a base como a ferramenta t m um comportamento perfeitamente r gido uma vez que nesta fase apenas se pretende avaliar a exequibilidade do processo em termos cinem ticos e mais tarde utilizar e
40. com as caracter sticas cinem ticas do rob da c lula real De referir que foram ainda criados separadamente v rios targets de maneira a que tanto o ngulo de aproxima o como o de sa da da trajet ria fossem o mais suaves poss vel Figura 3 21 Trajet ria gerada Para a mesma trajet ria foram gerados programas tanto em controlo de posi o como em controlo de for a Tendo sido feita a sincroniza o para o controlador virtual obteve se o programa em linguagem RAPID apresentado de uma forma muito reduzida na Figura 3 22 46 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras MODULE Surface Topo CONST robtarget INICIO 28 7 345 1 396 7 0 0 0 707106781 0 707106781 CONST robtarget Aproach 1 19 916563375 48 211395521 24 899635444 0 00 CONST robtarget Aproach 12 19 916563407 1 637507087 21 015448428 0 0 CONST robtarget pl 0 003965682 0 077683129 0 996970213 0 001346523 CONST robtarget p2 6 725029763 0 071066697 0 919903136 0 CONST robtarget p3 9 819978947 0 064430804 0 830304971 0 011721726 PROC SolutionFC Testel FCDeact FCCalib FCLoadData Path 5 ENDPROC PROC Path 5 MoveJ INICIO v50 25 Ferramenta2 WObj topoguitar Moved Aproach_1 v50 z5 Ferramenta2 WObj topoguitar Movimento de aproxima o MoveL Aproach_12 v50 z5 Ferramenta2 WObj topoguitar FCSpdChgAct 20 NonStopAllTime Inicio do controlo de for a ref 20 N MoveL p
41. de Rob tica do Departamento de Engenharia Mec nica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto com o respetivo controlador IRCS Este rob possui uma configura o em s rie e um dos mais populares na sua classe Neste caso em particular possui uma montagem fixa ao solo apoiado num pedestal As suas caracter sticas principais est o indicadas na Tabela 2 18 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 2 3 Rob ABB IRB2400 16 19 Tabela 2 Caracter sticas do rob ABB IRB 2400 16 19 Graus de liberdade 6 Capacidade de Carga 20 Kg Repetibilidade de 0 07 mm posicionamento Repetibilidade de trajet ria 0 15 mm Alcance m ximo 15m Mesa posicionadora Associada ao rob encontra se uma mesa posicionadora da ABB modelo IRBP C 500 com uma capacidade de carga de 500 Kg e um eixo de rota o Figura 2 4 19 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 2 4 Mesa posicionadora ABB IRB C 500 20 Suporte da pe a Sendo a pe a a trabalhar de grandes dimens es e de geometria complexa optou se por fixar a pe a na mesa posicionadora com a ajuda de um suporte e acoplar a ferramenta ao bra o do rob Inicialmente discutiu se a cria o de um suporte id ntico ao pr prio molde da pe a para que esta fosse devidamente apoiada ao longo de toda a superf cie de forma a evitar eventuais o
42. dos ao contorno da guitarra verificou se que a utiliza o do controlo de posi o e velocidade o modo de controlo mais apropriado para este tipo de opera o tendo em conta que a quantidade de material a remover constante A utiliza o do controlo ativo de for a com o modo FC SpeedChangeProcess revela se mais apropriado quanto existe uma quantidade vari vel de material a ser removido Na Tabela 5 pode observar se uma s ntese dos ensaios realizados e respetivos resultados da for a gerada 69 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Tabela 5 S ntese de condi es e resultados obtidos nos ensaios realizados Veloc de Veloc de Par metro For a rot da Ensaio avan o do Zone m xima ferramenta rob mm s mm N rpm 1 35000 10 1 9 2 35000 5 1 4 3 35000 20 1 24 oo N a 3 a N S p 4 35000 30 1 26 3 E S 5 35000 30 fine 36 y E 6 26000 10 fine 45 o gt Q o 7 35000 2 5 fine 3 Xx yy 8 35000 10 fine v 3 4 E 1 35000 10 1 Sa 5 E 2 35000 10 1 o S SD a amp ES 8 28 8 E S F G 7 3 35000 5 50 1 o a O S Q 4 4 An lise funcional do novo suporte da pe a Tal como foi referido anteriormente o suporte da pe a inicialmente idealizado foi fornecido j numa fase final da disserta o e portanto o que se fez foi fixar esse mesmo suporte mesa posicionadora
43. e 50 vezes inferior de uma m quina CNC 32 o que limita muito as for as envolvidas no processo e particularmente a maquinagem de pe as com geometrias complexas Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 1 3 Controlo de for a O controlo de for a foi inicialmente aplicado a rob s utilizados em linhas de montagem autom vel possibilitando uma redu o do ciclo de montagem em cerca de 75 do tempo 3 Do ponto de vista geom trico a opera o de acabamento lida com pe as que se encontram ja terminadas e como tal necessitam apenas de um processo de acabamento superficial Deste modo necess rio um rigor muito elevado nas trajet rias a serem percorridas pela ferramenta e na for a exercida pela mesma O uso de um sensor de for a possibilita ao rob sentir obst culos na trajet ria podendo ajustar a sua velocidade e a taxa de remo o de material automaticamente Assim sendo n o necess rio um esfor o t o elevado na programa o das trajet rias uma vez que a malha fechada de controlo de for a garante o contacto cont nuo da ferramenta com a pe a Tipicamente existem dois tipos de controlo de for a o controlo em malha fechada e o controlo em malha aberta No primeiro caso existe um controlo das for as de contacto possibilitando ao controlador recalcular novas trajet rias e correspondente velocidade em fun o dessas mesmas for as Apesar de ser mais dispendios
44. e calibra o Ap s ter sido criada esta rotina de calibra o feita a exporta o para o controlador real e gerado automaticamente o programa RAPID correspondente a este processo Antes de executar a rotina de calibra o dever o ser criados os mesmos cinco targets utilizados na c lula virtual mas desta feita em rela o c lula real Ao correr a rotina o que o controlador faz comparar os valores dos targets criados em ambiente virtual com os criados na c lula real e ajustar diretamente a posi o do referencial de trabalho utilizado na programa o das trajet rias concluindo assim o processo de calibra o 2 4 2 Software leitor de sinal Teste Signal Viewer Uma vez que se pretende analisar as for as de contacto envolvidas em todo o processo de trimming optou se por instalar um software tamb m fornecido pela ABB que estando devidamente ligado com o controlador do rob faz o condicionamento de sinal proveniente do sensor de for a e apresenta o resultado num gr fico em tempo real O eixo dos yy representa a for a em Newton enquanto o eixo dos xx representa o tempo em segundos A cada eixo do referencial do rob est associado uma sa da diferente e portanto poss vel obter as tr s componentes da for a apresentadas de forma distinta De referir que para cada sinal pode se definir um determinado offset ou mesmo aplicar um filtro passa baixo para efeitos de 29 Conce o de uma c lula rob tica para oper
45. e o operador movimente de forma assistida ou manualmente o rob at aos diversos pontos de modo a poder definir as trajet rias desejadas Os diferentes par metros que complementam o programa tais como velocidade ou tipo de trajet ria s o definidos atrav s de uma programa o textual Esta t cnica designada lead to teach ou simplesmente por programa o online Figura 1 7 ainda hoje muito utilizada apesar dos softwares das pr prias marcas de rob s terem evolu do no sentido de facilitarem todo este processo de programa o A utiliza o deste tipo de programa o implica que o rob esteja fora da linha de produ o e portanto poder trazer problemas ao n vel da produtividade Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 1 7 Operador a programar manipulador atrav s do m todo lead to teach 7 A programa o off line Figura 1 8 utiliza um tipo de linguagem pr pria do sistema de simula o e eventualmente id ntico do rob A utiliza o da programa o off line num rob resulta tipicamente numa diminui o em cerca de 80 do tempo despendido na programa o online permitindo assim aumentar a produtividade 1 Figura 1 8 Exemplo de programa o off line 8 A vantagem mais relevante deste tipo de programa o o facto de se poder programar um rob sem que haja necessidade de o retirar da linha de produ o Contudo existem diversos problemas a
46. eis para o desempenho de diversas tarefas 1 O primeiro rob industrial surgiu em 1961 quando a marca Unimate se juntou General Motors para criar um manipulador que trabalhasse numa m quina de fundi o Em 1974 a empresa sueca ASEA desenvolveu o IRB6 o primeiro rob industrial totalmente el trico Este ltimo trouxe muitas aplica es novas na rea da rob tica que n o eram poss veis de ser realizadas por sistemas hidr ulicos em particular a soldadura O primeiro rob dedicado a opera es de acabamento foi adquirido pela empresa sueca Magnusson e realizava opera es de polimento em tubos de a o inoxid vel Figura 1 3 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 1 3 Primeiro rob dedicado a opera es de acabamento 3 Um rob industrial pode ser um grande contributo para uma empresa em termos de automatiza o de processos N o s traz vantagens em termos de redu o de custos associados ao processo Tabela 1 e aumento da produtividade mas tamb m melhora as condi es de trabalho ao n vel da sa de e pr pria seguran a Tabela 1 Encargos com m o de obra estimados por Ron Potter Factory Automation Systems 4 EUA 15 h China 3 h Rob Industrial 0 3 h Desde o seu aparecimento que os rob s t m sido utilizados em processos de soldadura e transporte de material com grandes resultados alcan ados Mais recentemente
47. elos obtidos atrav s de um m todo de levantamento rigoroso Sugere se tamb m algumas altera es nos recursos utilizados na c lula rob tica real Na ferramenta utilizada acoplar um dissipador de energia de forma a minimizar o ru do gerado no sensor de for a No limite prop e se a cria o de outro tipo de suporte para a ferramenta com uma rigidez e capacidade de rota o superior da ferramenta utilizada para que seja poss vel a utiliza o de velocidades de avan o do rob superiores sem comprometer a trajet ria programada ou prejudicar o respetivo acabamento final Prop e se ainda a cria o de um sistema de fixa o auxiliar da pe a na utiliza o da nova base de suporte para a realiza o dos cortes ao contorno da guitarra Para que todo o processo de valida o da c lula seja apropriado sugere se que seja feita uma an lise detalhada pr pria rotina de calibra o 78 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras autom tica para avaliar a sua efetiva funcionalidade Eventualmente como alternativa a este procedimento autom tico poder ser criado um algoritmo de calibra o baseado num modelo matem tico que ajuste o workobject desejado com base em targets da c lula real Por fim dever passar se do estudo em laborat rio para o estudo em c lulas industriais de modo a concretizar se e consolidar se o conhecimento adquirido nesta disserta o 79 80 Conce
48. encontrada foi selecionar a superf cie do plano de topo associado espessura da pe a utilizando uma opera o de corte de topo Figura 3 19 44 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Machining Surface 3 meg tice am Figura 3 19 Sele o da superf cie de topo com opera o de corte de topo Como se pode observar na Figura 3 20 a configura o para o mesmo ponto do exemplo anterior mais adequada ao corte que se pretende realizar e assim permanece ao longo de toda a trajet ria uma vez que a ferramenta assume uma posi o perpendicular superf cie indicada Figura 3 20 Configura o resultante da sele o da superf cie de topo com opera o de corte de topo 45 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 3 5 Simula o da solu o Optou se inicialmente por escolher a pe a inferior do corpo da guitarra uma vez que apresenta maior rigidez e maior facilidade de fixa o Ainda assim gerou se uma trajet ria considerando apenas a parte correspondente ao corpo principal da guitarra uma vez que n o foi poss vel fixar o bra o Figura 3 21 Atendendo ao procedimento descrito na sec o 3 3 foi ent o criada uma trajet ria para a pe a em causa e ap s ter a estrutura completa do programa realizou se a sincroniza o para o controlador virtual Esta sincroniza o faz com que seja poss vel simular todo o processo
49. entrado 17 18 Figura 2 2 Layout t pico de c lula rob tica com rob em linha 18 18 Figura 2 3 Rob ABB IRB2400 16 19 sanada sato aa Gp a lon oa aid aa 19 Figura 2 4 Mesa posicionadora ABB IRB C 500 20 20 Figura 2 5 Modela o em SolidWorks da interface criada para a ferramenta com transdutor d forca nelido mtret ee Meat buses Gas bau Tea 21 Figura 2 6 Interface acoplada ao manipulador e com a ferramenta utilizada 21 Figura 2 7 Ferramenta de corte utilizada na solu o rn 22 Figura 2 8 Calibra o de um rob ABB utilizando o sistema Leica Laser Tracker 21 23 Figura 2 9 Sistema MotoSight desenvolvido pela Motoman 22 li 24 Figura 2 10 Exemplo de um ambiente virtual do RobotStudio da ABB 25 Figura 2 11 Consola de programa o a real b virtual 26 Figura 2 12 Esquema de funcionamento do rob no modo FC SpeedChange 22 27 Figura 2 13 Par metros program veis no modo FC SpeedChange osese 28 Figura 2 14 Janela de cria o dos targets de calibra o seseesseessseeessresseesseesseeesssessres 29 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 2 15 Aspeto gr fico do sofware Teste Signal Viewer 30 Figura 3 1 Layout da c lula virtual criada no RobotS
50. evada complexidade qualquer varia o em termos posicionais da c lula real para a c lula virtual revela se cr tica e portanto foi necess rio efetuar alguns ajustes no pr prio programa RAPID e posteriormente recorrer ao m todo de programa o online O recurso a uma base de suporte que fixe a pe a em toda a sua superf cie revelou se como um fator determinante para a qualidade final do acabamento Tendo em conta que se utilizou um suporte mais simples durante os ensaios houve zonas da superf cie da pe a que n o estavam devidamente fixas e quando a ferramenta fez a primeira passagem de corte detetou se a exist ncia de uma grande oscila o da pr pria pe a comprometendo assim a qualidade do acabamento Contudo mesmo com a utiliza o de uma nova base de suporte que abrange toda a superf cie da pe a necess rio dispor de um sistema auxiliar de fixa o da pe a para minimizar eventuais varia es posicionais causadas pelas for as de contacto exercidas pelo rob Quanto utiliza o do controlo ativo de for a o pr prio software possui duas op es o FC PressureProcess e o FC SpeedChangeProcess O primeiro caso foi logo partida descartado uma vez que correr se ia o risco da trajet ria n o ser cumprida tendo em conta a for a de refer ncia indicada o que para este caso n o seria de todo desej vel Uma vez que no processo de corte trabalha se com uma taxa de remo o de material constante e com for as de con
51. ever ser feita utilizando a c lula rob tica dispon vel no laborat rio de Rob tica do Departamento de Engenharia Mec nica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Para o efeito dever o ser estudadas diferentes solu es recorrendo ao software de programa o RobotStudio Pretende se comparar os resultados obtidos nas diferentes estrat gias de controlo do rob controlo de for a em malha fechada e controlo de velocidade e posi o e avaliar tanto a solu o como o software quanto sua aplicabilidade neste tipo de opera es Esta disserta o realizada em parceria com a empresa Ideia m especializada na conce o e fabrico de instrumentos musicais em materiais comp sitos disponibilizando as pe as e uma base de suporte para realiza o dos diferentes ensaios 1 6 2 Estrutura da disserta o Esta disserta o encontra se dividida em cinco cap tulos seguidos das Refer ncias utilizadas Assim ap s este primeiro cap tulo onde feita uma apresenta o e contextualiza o de todo o tema e apresentadas algumas solu es existentes na ind stria segue se um segundo cap tulo denominado Arquitetura de uma c lula rob tica dedicada a opera es de acabamento e software de programa o onde se apresenta a caracteriza o geral do layout t pico de uma c lula rob tica dedicada a opera es de acabamento e se estabelece a liga o 14 Conce o de uma c lula rob tica para opera
52. exidade como o caso torna se portanto pertinente despender algum tempo na programa o dedicada exclusivamente s configura es do rob ao longo da trajet ria para evitar comportamentos imprevis veis do rob podendo da resultar colis es com os restantes constituintes da c lula 3 4 1 Influ ncia da escolha do tipo de opera o medida que se foi avan ando nestes procedimentos de programa o e gera o de trajet rias reparou se que a sele o da superf cie a ser trabalhada em conjunto com o tipo de opera o escolhido lateral ou topo tem influ ncia direta na configura o final do rob Numa primeira inst ncia na pe a inferior da guitarra escolheu se a superf cie lateral como superf cie a trabalhar e utilizando uma opera o de corte lateral Figura 3 17 43 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 3 17 Sele o da superf cie lateral com opera o de corte lateral Como se pode observar na Figura 3 18 a configura o atribu da em alguns pontos n o a mais correta e tendo em conta que se est perante uma pe a de geometria bastante complexa e uma vez que com este tipo de opera o a ferramenta assume uma posi o paralela superf cie esta configura o n o era uniforme ao longo de toda a trajet ria Figura 3 18 Configura o resultante da sele o da superf cie lateral com opera o de corte lateral A alternativa
53. i259 v20 z1 Ferramenta2 WObj topoguitar MoveL pi260 v20 z1 Ferramenta2 WObj topoguitar C FCSpdChgDeact gt Fim do controlo de for a MoveL Depart_1 v20 21 Ferramenta2 WObj topoguitar Moved INICIO v50 25 Ferramenta2 WObj topoguitar ENDPROC Targets da trajetoria Movimento de afastamento da trajet ria Figura 3 22 Programa em linguagem RAPID obtido ap s sincroniza o com controlador virtual 3 6 S ntese Antes de se passar fase de implementa o apropriado retirar algumas conclus es nesta fase no que diz respeito a todo este processo de simula o e programa o off line do rob para opera es de acabamento e naturalmente ao pr prio software de programa o em geral O primeiro contacto com o RobotStudio foi bastante agrad vel uma vez que o ambiente de trabalho revela se muito apelativo e bastante user friendly o que torna o processo de aprendizagem em rela o programa o off line bastante facilitado Tendo em conta que um software com um modo de simula o essencialmente gr fico torna todo o procedimento de programa o simula o muito intuitivo Acrescentando a isto o facto de se ter um controlador virtual incorporado poss vel ter uma ideia bastante realista dos movimentos que v o ser realizados pelo rob na c lula real Uma vez que os desenhos 3D das pe as a serem trabalhadas foram fornecidos pela empresa Ideia m necess rio apenas ter aten
54. ion machining Add axes IRB drive module 1600 2400 260 IRB 2400 Type A Options I 877 1 Machining FC GUI c Application Force Control I 812 1 Production Manager 1 2 Application arc Figura 3 2 Defini o dos par metros de controlo de for a para o controlador virtual Uma das caracter sticas do RobotStudio a possibilidade da modela o de geometrias No entanto como j foi referido no cap tulo anterior tamb m possibilita a importa o de ficheiros CAD em v rios formatos Esta particularidade torna se bastante til caso se pretendam trabalhar pe as de geometria complexa Todas as geometrias utilizadas foram modeladas em SolidWorks numa primeira fase e posteriormente exportadas para o RobotStudio Contudo devido ao facto do desenho 3D fornecido conter um elevado n mero de features geradas no SolidWorks a exporta o para o RobotStudio apesar da exist ncia de v rios formatos compat veis teve de ser realizada no formato step uma vez que foi o nico que resultou numa exporta o de todas as caracter sticas da pe a superf cies e arestas Na Figura 3 3 poss vel observar a interface de suporte da ferramenta criada acoplada ao bra o do rob 32 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 3 3 Interface da ferramenta acoplada ao rob em ambiente virtual 3 2 Defini o de sistemas de coordenadas de refer ncia A estrutura de program
55. l proveniente do sensor no ensaio 5 ii 59 Figura 4 12 Leitura do sinal proveniente do sensor no ensaio 6 60 Figura 4 13 Aspeto final do trimming ap s o ensaio 7 arena 61 Figura 4 14 Leitura do sinal proveniente do sensor no ensaio 7 61 Figura 4 15 Trajet ria utilizada para realiza o do primeiro ensaio de trimming 62 Figura 4 16 Aspeto final do trimming ap s o ensaio 8 ceeeeeseeesteceseceeeeeeseecnaecneeesneeeaees 62 Figura 4 17 Leitura do sinal proveniente do sensor no ensaio 8 0 0 0 eeeeeeeeeneeeneeceeeeenteeeeeee 63 Figura 4 18 Trajet ria utilizada no trimming do corpo da guitarra para o ensaio 1 64 Figura 4 19 Resultado final do ensaio 1 2s 2 1 pra ceeded cic eae ga Saida heen qa 65 Figura 4 20 Trajet ria utilizada no trimming do corpo da guitarra no ensaio 2 66 Figura 4 21 Resultado final do ensaio 2 21 32 cetigauis eee de Rai uae da eae 66 Figura 4 22 Trajet ria utilizada no trimming do corpo da guitarra no ensaio 3 67 Figura 4 23 Resultado final do ensaio 3 ii scotia cum aude gem aye eet 68 Figura 4 24 Nova base de suporte da pelas sisi ucsczel ssvqasse doncavedavaedoniaoucees saaasesdasecsaadseedatouee 71 Figura 4 25 Compara o dos targets entre c lula real e virtual 71 Figura 4 26 Defini o do posicionamento dos targets de refer ncia eee eeeeeseeeseeeeeeeeeeee 12 Fig
56. me e variedade de produtos 1 2 Figura 1 3 Primeiro rob dedicado a opera es de acabamento 3 c li 4 Figura 1 4 a Rob dedicado a opera es de maquinagem b opera es de polimento c opera es de soldadura 5 ssessesensasastasaas ss sesa ma aisaaa nefasto rats gaava sa fesetnaaasaa re sofqne nto 5 Figura 1 5 Manipulador com ferramenta dedicada a opera es de rebarbagem 5 6 Figura 1 6 Transdutor de for a ATI F T Delta IP60 6 8 Figura 1 7 Operador a programar manipulador atrav s do m todo lead to teach 7 9 Figura 1 8 Exemplo de programa o off line 8 csscccesscecesceceenceceeneeceeececeeeeeceneeesseeeeeaas 9 Figura 1 9 Primeira guitarra el trica produzida inventada por George Beauchamp em 1931 E E tance settee sue ctanen ali E us E Da ites cia a bia SAO Rana a 10 Figura 1 10 Processo de produ o de guitarras a automatizado 10 b manual 11 11 Figura 1 11 Exemplo de guitarra a feita em alum nio 12 b feita em fibra de carbono 13 esies tides aS a Ee LN ES NE ESAS A EA Eonalhama ida Bda sa aa SUS Ap Rr di ad pars as ias a Di Eaa dada 11 Figura 1 12 AVA Guitar guitarra em fibra de carbono produzida pela Idea m 14 12 Figura 1 13 Processo manual de fabrico da guitarra em fibra de carbono 14 13 Figura 2 1 Layout t pico de c lula rob tica com rob c
57. midade da ferramenta No caso do rob utilizado a defini o da posi o do TCP a determina o do pr prio peso e centro de gravidade da ferramenta feita recorrendo s funcionalidades dispon veis no controlador do rob e ao facto de o rob possuir um sensor de for a incorporado Calibra o do layout pe a a trabalhar Neste tipo de calibra o feita uma corre o da posi o relativa entre os diferentes componentes utilizados na c lula real e na c lula virtual para que coincidam no seu posicionamento Um exemplo bastante atual deste tipo de calibra o o sistema MotoSight desenvolvido pela Motoman Figura 2 9 Figura 2 9 Sistema MotoSight desenvolvido pela Motoman 22 O MotoSight pode ser integrado num rob e que ao incorporar um sistema de vis o e uma unidade de processamento capaz de localizar e identificar uma dada pe a corrigir erros de posicionamento fazer uma inspe o pr pria pe a entre outros 24 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 2 4 Software de programa o utilizado A programa o off line do rob IRB 2400 da ABB realizada utilizando o software fornecido pelo pr prio fabricante do rob o RobotStudio v5 14 02 Este software permite a cria o e programa o de ambientes virtuais Figura 2 10 de maneira a que sejam o mais semelhantes poss vel s c lulas rob ticas reais dispon veis Para tal disponibiliza bi
58. mo os valores das velocidades ou mesmo a acelera o desacelera o que o rob tem ao mudar de velocidade podem ser programados No caso da velocidade do rob se encontrar no valor m nimo e a for a continuar a aumentar poss vel criar uma rotina no programa que define o que o rob ir fazer quando tais condi es se verificam designado Safety Level Na Figura 2 12 pode se observar o funcionamento de todo este processo Este modo de funcionamento tem como base de controlo um esquema l gico dividido em v rias etapas e condi es Velocidade vari vel Trajet ria programada i z 1 1 i 1 1 1 1 i T t T For a N i 1 1 I t Abranda Ref Mae e Loo Acelera Velocidade Programada 2 oe A Min _ _________ e me Figura 2 12 Esquema de funcionamento do rob no modo FC SpeedChange 22 27 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras No exemplo indicado a velocidade varia entre dois patamares no entanto poss vel definir se at dez n veis de velocidade Na Figura 2 13 pode se verificar a janela que cont m todos os par metros program veis no modo FC SpeedChangeProcess ype name Drive Unit FC Application Edit FC Speed Change s Value Parameter J fc speed changel Type string 4 Speed ratio min 0 2 QNo of speed levels 3 fc speed changel 4 Speed ratio delta 0 07 4 Speed max update pe
59. modificar o c digo de programa o na linguagem RAPID que resulta da sincroniza o com o controlador virtual Tendo em conta que poss vel adaptar o Machining Power Pack programa o e simula o do processo de rebarbagem em causa pode se usufruir da metodologia pr pria do software para gerar as diferentes trajet rias desejadas A sua utiliza o torna o processo de gera o de trajet rias para maquinagem mais expedito e insens vel a erros de configura o De modo a facilitar a sua compreens o ser o seguidamente apresentadas algumas etapas e particularidades da programa o de trajet rias recorrendo precisamente ao Machining Power Pack Atrav s da execu o do assistente de solu es solution wizard a configura o da solu o alcan ada sendo para isso necess rio definir determinados par metros ao longo de v rias etapas 36 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 1 Defini o da solu o Nesta primeira fase escolhida a tarefa a ser executada e o controlador do rob que vai executar a opera o ainda definido um nome para o processo Figura 3 7 Controlador Tarefa Controller System Angelino hd Task T_ROB1 X Solution Configuration Template lt Defaut gt hd Solution Name Rebarbagem 1 I Optimize Corner Targets Figura 3 7 Defini o da solu o 2 Identifica o da supe
60. na realiza o de um primeiro teste A trajet ria foi programada para que o rob se movimente unicamente na dire o do eixo yy do referencial de base do rob mantendo a orienta o do elemento terminal fixa de modo a que a dire o do eixo yy do sensor de for a seja coincidente com a dire o da trajet ria Na Figura 4 6 apresentam se os v rios ensaios realizados com os respetivos resultados finais Na Figura 4 16 apresenta se o resultado do ensaio de trimming realizado 53 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 4 6 Numera o dos diferentes ensaios realizados com respetivos resultados finais Os ensaios 1 2 3 4 e 7 tiveram como objetivo verificar de que maneira a varia o da velocidade de avan o afetava a trajet ria percorrida e observar a qualidade de acabamento da resultante Com o ensaio 5 pretendeu se verificar de que maneira o par metro zone influenciava a qualidade do acabamento enquanto o ensaio 6 serviu essencialmente para verificar qual a velocidade de rota o da ferramenta ideal para este tipo de opera o variando para isso este par metro Ensaio 1 Condi es m Velocidade de rota o da ferramenta 35000 rpm 7 Velocidade de avan o do rob 10 mm s n Zone mm 54 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Resultados O resultado obtido est ilustrado na Figura 4 6 onde se pode observar o
61. normalmente insens vel s condi es ambientais Um termo que se pode utilizar mais corretamente CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastic 12 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras O material comp sito ent o constitu do por pelo menos dois elementos funcionando em conjunto para produzir um material que tem propriedades diferentes desses mesmos elementos quando considerados individualmente Os materiais comp sitos mais comuns s o os de matriz polim rica sendo constitu dos por um pol mero tendo a resina como matriz refor ado com fibras como vidro carbono ou aramida 16 Atualmente existem v rios processos de fabrico de materiais comp sitos tais como spray lay up processo manual fabrico em v cuo enrolamento filamentar pultrus o RTM Resin Transfer Moulding ou infus o Estes processos tal como as propriedades individuais dos constituintes utilizados t m uma influ ncia direta nas propriedades finais de um comp sito No caso particular dos materiais utilizados pela Ideia m no fabrico de guitarras o processo utilizado o processo manual Neste m todo a resina colocada e impregnada nas fibras m o com o aux lio de um rolo ou pincel como se pode verificar na Figura 1 13 Ap s esta fase o produto pode ser deixado a curar s condi es atmosf ricas ou recorrendo a um ambiente de v cuo Neste ltimo o produto envolvido por uma saco e todo o ar existente
62. nterface acoplada ao manipulador e com a ferramenta utilizada Na Figura 2 7 pode se observar a ferramenta de corte que se utilizou Esta caracterizada por apresentar um revestimento diamantado aumentando assim a sua dureza e resist ncia abras o Ao contr rio de uma fresa convencional onde o corte provocado por arranque de apara neste tipo de fresa a remo o de material feita por desgaste do material aumentando assim a qualidade final do acabamento 21 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 2 7 Ferramenta de corte utilizada na solu o 2 3 Processo de Calibra o Uma das principais dificuldades que se encontram ao trabalhar com c lulas rob ticas virtuais precisamente a sua valida o isto replicar a posi o e caracter sticas de todos os componentes da c lula virtual na c lula real Este procedimento designa se de calibra o e pode ser dividido em v rios tipos Atualmente existem j v rias solu es criadas pelos pr prios fabricantes de rob s que facilitam este processo seja atrav s de software especializado ou mecanismos dedicados exclusivamente a este procedimento 22 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Calibra o do Rob Neste procedimento ensinado ao rob o seu zero absoluto isto atrav s da consola de programa o movimenta se manualmente o rob at ao valor zero de
63. o corte Figura 4 11 Leitura do sinal proveniente do sensor no ensaio 5 Ensaio 6 Condi es 7 Velocidade de rota o da ferramenta 26000 rpm Velocidade de avan o do rob 10 mm s 7 Zone fine Resultados Verifica se que a trajet ria percorrida foi pouco linear em todo o percurso e o facto de se estar a trabalhar com velocidade de rota o da ferramenta inferior a qualidade acabamento piorou Figura 4 6 Neste caso a for a m xima gerada em yy foi cerca de 45 N Figura 4 12 59 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 50 0 1 430428 44 0000 450000 46 e Zona de aproxima o Zona de corte Zona de afastamento Figura 4 12 Leitura do sinal proveniente do sensor no ensaio 6 Ensaio 7 Condi es m Velocidade de rota o da ferramenta 35000 rpm 7 Velocidade de avan o do rob 2 5 mm s n Zone fine Resultados O resultado obtido est ilustrado na Figura 4 13 onde se pode observar o seu aspeto ap s o corte A trajet ria percorrida foi linear em todo o percurso no entanto a qualidade do acabamento ficou afetada devido a baixa velocidade de avan o 60 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 4 13 Aspeto final do trimming ap s o ensaio 7 Os valores das for as podem ser observados na Figura 4 14 Neste caso a for a m xima gerada em yy foi cerca de 3 N as Zona de aproxima
64. o o controlo em malha fechada apresenta maior flexibilidade que o controlo em malha aberta sendo mais adequado para opera es de acabamento No controlo de for a em malha aberta por sua vez n o existe feedback de for a para o controlador e portanto a trajet ria programada pode n o ser cumprida devida s for as de contacto que possam eventualmente surgir Neste caso imp e se geralmente um limite m ximo for a de contacto Em termos gerais o controlo de for a em malha aberta apresenta se como sendo um sistema relativamente simples barato e com bons tempos de resposta Na Figura 1 6 est representado um exemplo de transdutor de for a incorporado pela ABB nos seus rob s que fornecido pela ATI e possibilita o controlo de for a em malha fechada Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 1 6 Transdutor de for a ATI F T Delta IP60 6 Com este transdutor poss vel medir as 6 componentes da for a de contacto resultante de qualquer tipo de opera o exercida pelo rob com baixa histerese e boa repetibilidade 1 4 Programa o de um rob A programa o de um rob envolve a especifica o de um conjunto de pontos no espa o que devem ser visitados sendo definido o tipo de trajet ria e velocidade de movimenta o entre os pontos especificados e a intera o dos movimentos do rob com outros equipamentos Tipicamente a programa o de um rob requer qu
65. o Zona de corte Zona de afastamento Figura 4 14 Leitura do sinal proveniente do sensor no ensaio 7 61 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Ensaio 8 Condi es n Velocidade de rota o da ferramenta 35000 rpm m Velocidade de avan o do rob 10 mm s 7 Zone fine Resultados O resultado obtido esta ilustrado na Figura 4 16 onde se pode observar o aspeto final da superf cie ap s o corte Verifica se que a trajet ria percorrida foi linear em todo o percurso com uma qualidade de acabamento bastante aceit vel tanto na dire o xx como na dire o yy Os valores das for as de contacto lidas pelo sensor de for a podem ser observados na Figura 4 17 Neste caso a for a gerada em yy foi cerca de 4 N enquanto na dire o xx foi aproximadamente 3 N P4 P1 P2 P3 Figura 4 15 Trajet ria utilizada para realiza o do primeiro ensaio de trimming Figura 4 16 Aspeto final do trimming ap s o ensaio 8 62 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 58 0000 60 0000 62 0000 64 0000 66 0000 68 0000 70 0000 72130 J TICK E S E Corte dire o yy Corte dire o xx KO Zona de Zona de corte aproxima o Figura 4 17 Leitura do sinal proveniente do sensor no ensaio 8 4 3 An lise de cortes ao corpo da guitarra Ap s conclu da esta fase onde foram feitos os primeiros ensaios e que serviram essencialmente p
66. o autom tico nomeadamente na utiliza o de um rob tal n o acontece Para o caso de se pretender um acabamento final em que as pe as fiquem prontas para a fase de colagem deve ser feito um reajuste muito rigoroso ao n vel de programa o e calibra o Como alternativa poss vel programar o rob para que realize um acabamento interm dio deixando um pequeno offset a ser removido manualmente numa fase posterior Quanto qualidade do acabamento n o foram notadas diferen as muito significativas no entanto no processo autom tico o acabamento muito mais uniforme e n o existe o risco de um eventual erro humano que danifique a pe a como no caso do processo manual 5 2 Trabalhos Futuros A realiza o desta disserta o constitui o in cio da pesquisa numa rea tecnol gica ainda muito recente Logo as principais dificuldades que foram surgindo foram fruto essencialmente da falta de informa o e da novidade que este tipo de solu o representa na ind stria Assim j tendo neste projeto uma base de conhecimentos s lida poss vel propor a execu o de outros estudos e ou testes de modo a aperfei oar a solu o que foi criada Tendo em conta o facto de se estar a trabalhar com pe as de geometria bastante complexa a pr pria modela o 3D foi identificada como uma influ ncia bastante relevante para o sucesso de todo o processo de programa o Assim prop e se a execu o de testes baseando se em mod
67. o de opera o e ee ceeeeecseneeceeeeeceeececeeeeeesteeeesaes 43 3 5 Simula o da so O n raea aae a a N a aa a 46 xii Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 3 6 SINTESE aeea EER E a SAS A A E E da E ES 47 4 Implementa o da Solu o Desenvolvida 49 4 1 An lise funcional da ferramenta e base de suporte eee eeeeceeesneeeeereeeenteeeenes 49 4 1 1 Corre o da posi o da pe a na c lula real 51 4 2 An lise de Cores 4c caiadiadee inne adn wien ean lhe 52 4 3 An lise de cortes ao corpo da Suitara ssa assa ances ota ala eet 63 4 4 An lise funcional do novo suporte da pe a ceessceeseeceeneeceencecseeeecsteeeeeteeeesaes 70 4 5 An lise de cortes ao corpo da guitarra utilizando o novo suporte da pe a 13 5 Conclus es e trabalhos futuros eee rerecerercaa 75 5 1 CONCIUSCES ss a i EEEE E EE AE e EE EE E E 75 5 2 Trabalhos Futuros eiii ann e E a a pat T 78 Refer ncias snnt ee ns pa aa Sea ey Saas aa E DS EG 81 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras ndice de Figuras Figura 1 1 a Linhas de transfer ncia numa f brica de produ o autom vel b produ o em s rie de blocos do motor para ind stria autom vel 2 2 Figura 1 2 Rela o entre automa o dedicada automa o program vel e automa o flex vel em fun o do volu
68. om um comparador a flex o sofrida pelo suporte da ferramenta na dire o da aplica o da carga Para tal movimentou se o rob at posi o ilustrada na Figura 4 1 Na Tabela 4 apresentam se os valores obtidos nesse ensaio 49 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 4 1 Posicionamento do rob no ensaio de resist ncia flex o do suporte da ferramenta Tabela 4 Valores de flex o do suporte da ferramente obtidos atrav s da aplica o de cargas conhecidas Carga aplicada na dire o y Kg Deslocamento mm 0 0 1 0 75 2 1 4 3 2 0 4 2 65 50 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 4 5 4 3 5 3 2 5 2 bo n n 2 1 5 1 0 5 0 1 5 Deslocamento mm Figura 4 2 Gr fico do ensaio de resist ncia flex o Observando o gr fico da Figura 4 2 pode se concluir que a flex o do suporte da ferramenta provocada pelo aumento da carga bastante linear Quanto base utilizada apesar de n o ter sido modelada a posi o da pe a em ambiente virtual foi estabelecida tendo em conta sua espessura No entanto quando feita a transfer ncia do programa para o controlador real o rob reproduz exatamente aquilo que tinha sido visto anteriormente na simula o pelo que dever ser feita uma calibra o da c lula real uma vez que a reprodu o do mundo
69. real b virtual A transfer ncia do programa criado para o controlador real pode ser feita atrav s de uma liga o Ethernet previamente estabelecida ou atrav s de liga o USB com um dispositivo de armazenamento O pr prio software converte automaticamente as instru es contidas na simula o para um programa na linguagem pr pria do controlador A linguagem RAPID a que utilizada pela ABB para a programa o dos seus rob s Tendo em conta que o RobotStudio tem um grafismo bastante agrad vel poss vel a verifica o do alcance do rob e escolher a melhor configura o para uma dada opera o Al m disso tem uma funcionalidade bastante til que a dete o de poss veis colis es entre os diferentes elementos da c lula rob tica Aliando todas estas vantagens ao facto de como j foi referido incluir o controlador virtual tornando poss vel a verifica o da aplicabilidade do programa na c lula real o RobotStudio apresenta se como uma ferramenta bastante poderosa na programa o e simula o de rob s da ABB 2 4 1 Extens o Machining Power Pack Para a realiza o desta disserta o instalou se uma aplica o do RobotStudio dedicada a opera es de maquinagem e acabamento o Machining Power Pack Com este add in todo o processo de gera o de trajet rias facilitado ou seja enquanto na vers o base do RobotStudio necess rio marcar v rios pontos ao longo de uma superf cie a trabalhar para
70. realizados Uma vez que n o existe um valor timo na defini o dos par metros de velocidade de avan o do rob e for a de contacto envolvidas todo este processo de gera o de trajet rias passou por uma fase de sucessivas itera es de modo a obter a melhor qualidade de acabamento poss vel O reduzido n mero de pe as fornecidas limitou de certa maneira a an lise dos par metros envolvidos na opera o de corte isto de que maneira influenciam diretamente ou conjugados entre eles a qualidade do acabamento Assim tentou se sempre rentabilizar ao m ximo as pe as que foram disponibilizadas 5 1 Conclus es A an lise dos resultados obtidos nos ensaios realizados permite encerrar algumas conclus es acerca de todos os procedimentos e da pr pria metodologia utilizada Os ensaios realizados com controlo de velocidade e posi o demonstraram que a programa o off line gr fica e intuitiva permite que se obtenha um programa muito pr ximo 15 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Zz daquilo que a solu o final A utiliza o do m todo de programa o off line permite a gera o de trajet rias com base no modelo virtual da pe a Assim a cria o de um novo programa realizado em tempo bastante reduzido sem que haja necessidade de parar a produ o na c lula robotizada O recurso extens o Machining Power Pack como auxiliar de programa o e gera o
71. rencial de trabalho ao qual se pretende associar os pontos da trajet ria que ir o ser criados e qual a ferramenta a utilizar no processo Pode ainda ser definida a posi o da ferramenta no corte lateral ou topo e alguns par metros caracter sticos desta para que seja automaticamente criada a sua compensa o 38 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Work Object Workobject gt Create a Defaut Work Object Tool Type Sade Working Tool Data Ferramenta gt Feramertaz Tool Working Width mm 10 00 a Posi o da p ferramenta Par metros de compensa o da ferramenta Path Merging Gap mm as Figura 3 10 Escolha da ferramenta e do referencial de trabalho 5 Sele o das arestas neste passo que se escolhe o modo de gera o das trajet rias Neste caso em particular estas foram geradas com base nas arestas da pe a Assim ao escolher o modo edges selecionam se todas as arestas que se pretendem incorporar na trajet ria posteriormente gerada Figura 3 11 De notar que caso as arestas pretendidas n o estejam contidas na superf cie previamente selecionada no passo 2 n o ser o incorporadas na trajet ria Modo de sele o das trajet rias Edges E arestas Select edges from 3D View Edge 0 0 84 0 5 Edge 0 0 84 0 11 Edge 0 0 84 0 8 Edge 0 0 84 0 7 Edge 0 0 84 0 6 Edge 0 0 76 0 4 Arestas a serem Edge 0 0 7
72. rf cie a ser trabalhada Nesta fase s o selecionadas as superf cies a serem maquinadas tendo em conta as arestas que v o ser posteriormente indicadas como refer ncia Figura 3 8 Faces da superficie Machining Surface Surface 1 X Surface Name Surface 1 Select Faces from 3D View Superf cie selecionada n 4 Figura 3 8 Defini o da superficie a ser trabalhada 37 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 3 Defini o dos par metros de maquinagem Neste terceiro passo Figura 3 9 definem se alguns par metros do processo de maquinagem tais como toler ncia m xima ngulo de desvio da trajet ria modo de controlo do processo controlo de velocidade e posi o ou controlo ativo de for a e finalmente existe ainda a possibilidade de otimiza o de velocidade na superf cie da pe a isto definir qual a velocidade de avan o m xima e m nima do rob ao longo de todo o processo Tolerance mm 10 00 a Deviation Angle deg Par metros de maquinagem Machining Overlap Rate a SENSE ES oo Ui Escolha do tipo de controlo Optimize Speed On Surface Machining Template NormalProcess z I Enable Optimize Speed Maximum speed on surface fnimum speed on surface Figura 3 9 Defini o de par metros de maquinagem 4 Escolha da ferramenta e do referencial de trabalho Nesta fase Figura 3 10 escolhe se o refe
73. riod 0 08 p Feedback type Calib Force Magn QDAC channel 8 The controller needs to be warm restarted if 4 Feedback offset 0 the parameter is changed Use Fdb LP filter Yes 42 Fdb LP filter bandwidth Hz 30 Maximum TCP speed 03 4 Recover rule fdb ratio 13 Decrease rule safety fdb ratio 1 5 4 Decrease rule safety fdb time 0 1 4 Fdb trend step size 8 2 Decrease rule 1 fdb ratio 0 Restriction Limits No limits 4 RAPID Watch Offline Find Results Name Value Figura 2 13 Par metros program veis no modo FC SpeedChange Calibra o do layout Com a utiliza o do RobotStudio em conjunto com a extens o do Machining Power Pack poss vel criar uma rotina de calibra o entre a c lula virtual e a c lula real Esta rotina lida antes de qualquer programa e requer a cria o de cinco pontos na c lula virtual e atua sobre a posi o do workobject referencial de trabalho selecionado Figura 2 14 28 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Create Calibration Calibration Point Position CalibPoint 1 mm 807 447 a27 feas 90 wal CalibPoint_2 mm 50 04 425 577 84 777 Sele o dos 5 CalibPoint 3 mm ponha 61 545 ARs f3 CalibPoint_4 mm 222 687 a iM CalibPoint_5 mm pee So Workobjects v Sele o do workobject a ser calibrado Figura 2 14 Janela de cria o dos targets d
74. rsos que foram utilizados e de que maneira contribu ram para os resultados obtidos vi Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Design and Simulation of Robotic Cell for Guitar Finishing Operations Abstract Automation is an element that is increasingly present in recent times not only in industry but also at social level The automation of industrial processes adopted by companies results on an increase of productivity and quality of their final products The introduction of industrial robots in production lines and particularly in finishing operations appears naturally through the development of mechanisms that performs highly technical skills tasks with lower associated costs and no breaks in production In the production of guitars made by composite materials appears the need to remove the excess of material resulting from the manufacturing process of the guitar body parts In this dissertation is developed a robotic cell dedicated to finishing operations in particular for grinding trimming a guitar body made by composite materials and tested its applicability The tested parts were provided by Ideia m a Portuguese company specialized in development and production of products made by composite materials Initially was made an industrial context of main subject in order to understand the characteri
75. scila es e erros de posicionamento durante a opera o de corte Contudo este suporte foi disponibilizado apenas numa fase final da disserta o e como tal n o foi poss vel explorar devidamente as suas potencialidades Utilizou se ent o um suporte mais simples feito em madeira de formato paralelepip dico onde se fixou a pe a por meio de parafusos Ferramenta Como a ferramenta atualmente utilizada no processo manual de trimming das guitarras produzidas pela Ideia m um berbequim el trico de elevada capacidade de rota o optou se por utilizar o mesmo tipo de ferramenta tendo em conta os recursos dispon veis e por ser uma solu o economicamente vi vel Para isso foi necess rio conceber uma interface que permitisse ligar a ferramenta ao elemento terminal do rob tendo como principal preocupa o minimizar a dist ncia do tool center point flange do rob de forma a maximizar a resist ncia 20 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras tor o e flex o Esta interface foi posteriormente modelada em formato digital SolidWorks de modo a permitir a sua exporta o para o software de simula o programa o Na Figura 2 5 e Figura 2 6 poss vel verificar a modela o final desta interface e a sua montagem final respetivamente Figura 2 5 Modela o em SolidWorks da interface criada para a ferramenta com transdutor de for a inclu do Figura 2 6 I
76. seeesseee 12 1 6 Objetivos e estrutura da disserta o assa Sa Rtele 14 1 6 1 Objetivo principal da disserta o eee 14 1 6 2 Estrutura dadisserta o asec a Geis a RN R 14 2 Arquitetura de uma c lula rob tica dedicada a opera es de acabamento e software de programa o ns En eas ooeas sgn arc ein ge 17 2 1 Layout de uma c lula TODOUZACAs pscsscassonsies teriitactaide escatraslanniaciaetaaeteeaddasaess 17 2 2 Recursos utilizados sa rapina eel ee eee ap 18 2 3 Processo de Calibra o insusi inasa ia a E aa S as 22 2 4 Software de programa o utilizado eseseeseeseeeseeeessessresresseesesrresresseserssresseesees 25 24 1 Extens o Machining Power Pack ia susestssesmestesesitas en igaa peradlas euiatidasdeaauasdas 26 2 4 2 Software leitor de sinal Teste Signal Viewer cccccccsscccceessceseesseeeeeeeteeeenees 29 3 Programa o Off Line e Simula o de uma c lula rob tica dedicada a opera es de acabamento sssstosquar este stutoiquaaa dub ando ANS aaa nda qa Tag O aaa aaa 31 3 1 Layout da c lula robotizada e cria o do controlador virtual 31 3 25 Defini o de sistemas de coordenadas de refer ncia eeeeeeeseresreereerererse 33 3 3 Programa o e gera o de trajet rias 00 eeeeceeseeceeeeceeececeeeeecseeeeceteeeeeeeeesaes 35 3 4 Trajet ria gerada e configura es do rob rena 41 3 4 1 Influ ncia da escolha do tip
77. servar o aspeto final da superf cie ap s o corte 64 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 4 19 Resultado final do ensaio 1 Coment rios Neste ensaio verificou se que apesar de ter sido programado um offset constante ao longo de toda a trajet ria tal n o se verificou no final do ensaio Houve nitidamente zonas da pe a que sofreram uma maior remo o de material e inclusive zonas que n o foram cortadas Outro aspeto verificado foi que a ferramenta n o tinha superf cie de corte suficiente para algumas zonas da pe a e portanto n o foi capaz de compensar eventuais erros de posicionamento no eixo zz Ensaio 2 Este ensaio surge na sequ ncia do anterior Optou se por dividir a mesma trajet ria utilizada em quatro sec es Figura 4 20 e associar a cada uma um workobject diferente de maneira a compensar eventuais erros de posi o As condi es do ensaio bem como os resultados obtidos s o indicados de seguida 65 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 4 20 Trajet ria utilizada no trimming do corpo da guitarra no ensaio 2 Condi es n Controlo de posi o e velocidade 7 Velocidade de avan o do rob 10 mm s n Velocidade de rota o da ferramenta 35000 rpm n Zone mm a Offset O mm Resultados Figura 4 21 Resultado final do ensaio 2 66 Conce o de uma c lula rob
78. ssociados a este tipo de programa o tais como eventuais erros de tradu o ou interpreta o da linguagem do software de simula o erros nos sistemas de interpola o de movimentos e erros associados aus ncia da modeliza o din mica do rob Existe ainda a necessidade de um p s processamento eficiente e a utiliza o de algoritmos de calibra o que permitam de uma forma simples a calibra o do rob e da c lula de trabalho real Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Os softwares de programa o de rob s t m evolu do no sentido de se tornarem cada vez mais eficazes e cada vez mais agrad veis para o utilizador n o requerendo ao operador conhecimentos profundos em programa o 1 5 Produ o de guitarras Inventada em 1931 por George Beauchamp Figura 1 9 a guitarra el trica desde cedo come ou a ser um dos instrumentos mais importantes na m sica rock e pop Figura 1 9 Primeira guitarra el trica produzida inventada por George Beauchamp em 1931 9 Tipicamente o material mais utilizado na produ o de guitarras continua a ser a madeira No entanto para al m de eventuais defeitos de fabrico fr gil e muito suscet vel s condi es ambientais nomeadamente temperatura e humidade Como tal desde cedo se tornou importante encontrar solu es para este problema Com os processos de maquinagem dispon veis as empresas de produ o de guitarras come
79. stics of the process collect information about existing market solutions and after that was made an off line programming and simulation of one solution which was created based on the robotic cell available in the Robotics Laboratory of the Mechanical Engineering Department of the Faculty of Engineering of the University of Porto and using ABB s available software the RobotStudio Once the off line programming was concluded the solutions were implemented in real cell by performing various tests in different control modes The completion of these tests allowed the achievement of several conclusions regarding not only the application itself and a possible industrialization of the process but also the resources that were used and how they contributed to the final results vii Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras viii Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Agradecimentos Em primeiro lugar quero agradecer aos meus orientadores Professor Paulo Abreu e Professor Ant nio Lopes por todo o apoio dedica o e disponibilidade prestada e fundamentalmente pela partilha de conhecimentos que me permitiram ultrapassar as dificuldades que surgiram durante a realiza o desta disserta o Agrade o ao Professor Francisco Freitas respons vel pela unidade curricular Disserta o por todo o acompanhamento ao longo do semestre e pelas cr ticas construti
80. tacto a sofrerem pouca varia o o modo FC SpeedChangeProcess revelou se como um processo pouco til para o caso em estudo uma vez que a velocidade de avan o do rob que da resulta ser constante ao longo de toda a trajet ria De referir tamb m que a ferramenta utilizada introduz um sinal de ru do bastante elevado no sensor de for a o que inviabiliza de certa forma a leitura correta das for as de contacto envolvidas no processo necessitando assim de se recorrer aplica o de um filtro passa baixo Atendendo a que todo este tema concretamente a utiliza o de uma c lula rob tica para realiza o do trimming de guitarras feitas em materiais comp sitos surge como alternativa ao processo manual atualmente utilizado apropriado apresentar uma compara o entre estes dois tipos de processo Tendo em conta que as geometrias s o bastante complexas e feitas a partir de processos de molda o podem eventualmente existir varia es dimensionais no formato do material a ser removido Assim a automatiza o do processo apresenta uma desvantagem em rela o ao processo manual que precisamente o aspeto da flexibilidade isto se na linha de produ o 77 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras surgir uma pe a com um poss vel defeito o operador manual consegue ajustar ao m ximo essas eventuais varia es dimensionais e possivelmente consertar a pe a enquanto no process
81. tarios Uma vez que foi utilizado o controlo de for a foi bem percetivel a mudan a de velocidade quando a ferramenta entrou em contacto com a pe a Tendo em conta que a velocidade programada correspondente ao patamar de velocidade inferior era muito baixa a qualidade do 68 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras acabamento foi bastante afetada uma vez que houve um sobreaquecimento da superf cie de corte Figura 4 23 A realiza o destes ensaios permitiu retirar v rias conclus es em rela o ao processo de corte bem como os par metros envolvidos A velocidade de avan o do rob um par metro muito importante na defini o da qualidade final do acabamento ou seja verifica se que com o aumento da velocidade de avan o do rob a qualidade do acabamento afetada negativamente Este facto deve se essencialmente fraca rigidez do suporte da ferramenta isto com o aumento da velocidade de avan o do rob as for as de contacto aumentam e consequentemente h uma maior flex o da ferramenta e portanto existe um desvio entre a trajet ria programada e a trajet ria percorrida Contudo se a velocidade for demasiado baixa a qualidade do acabamento tamb m afetada negativamente devido elevada temperatura que atingida na superficie de corte A velocidade da trajet ria do rob de 10 mm s foi a que levou obten o de resultados mais satisfat rios Nos cortes efetua
82. teriais comp sitos existe a necessidade de remover o material em excesso resultante do processo de fabrico das pe as constituintes do corpo da guitarra Nesta disserta o foi desenvolvida uma c lula rob tica dedicada a opera es de acabamento em particular rebarbagem trimming do corpo de uma guitarra feita em material comp sito e testada a sua aplicabilidade As pe as ensaiadas foram fornecidas pela Ideia m empresa especializada no desenvolvimento de produtos feitos em materiais comp sitos Inicialmente fez se uma contextualiza o em termos industriais do tema proposto de modo a compreender as particularidades de todo o processo e recolher informa es acerca de solu es existentes no mercado Posteriormente procedeu se programa o off line e respetiva simula o de uma solu o tendo como base a c lula rob tica dispon vel no Laborat rio de Rob tica do Departamento de Engenharia Mec nica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto utilizando para tal o software RobotStudio disponibilizado pela marca ABB Ap s ter sido feita a programa o em ambiente virtual procedeu se implementa o da solu o atrav s da realiza o de v rios ensaios em diferentes modos de controlo que testassem a aplicabilidade da mesma A realiza o destes ensaios permitiu tirar v rias conclus es em rela o n o s aplica o em si e uma poss vel industrializa o do processo mas tamb m aos recu
83. tudio errar 31 Figura 3 2 Defini o dos par metros de controlo de for a para o controlador virtual 32 Figura 3 3 Interface da ferramenta acoplada ao rob em ambiente virtual 33 Figura 3 4 Procedimento autom tico para c lculo do Tool Center Point ooeec 34 Figura 3 5 Tool Center Point criado na ferramenta utilizada 34 Figura 3 6 Exemplo de trajet ria gerada na pe a inferior da guitarra 36 Figura 3 7 Defini o das ONC AG capa op eased ates Bea estan sea Ru dE hae ima 37 Figura 3 8 Defini o da superf cie a ser trabalhada oes eeeeseeeseceseeeeeeeencecsaeceseesseeesnees 37 Figura 3 9 Defini o de par metros de maquinagem area 38 Figura 3 10 Escolha da ferramenta e do referencial de trabalho 39 Figura 3 11 Defini o do modo de gera o de trajetGrias eee eeeeeeeeeeeeeeeeeeceeeeeceteeeeeeeeees 39 Figura 3 12 Defini o da orienta o dos targets da trajet ria 40 Figura 3 13 a Trajet ria gerada b orienta o dos diferentes targets 41 Figura 3 14 Diferentes configura es do rob para o mesmo ponto 24 41 Figura 3 15 Janela de sele o da configura o pretendida i 42 Figura 3 16 Sele o da configura o desejada e ireeeereererereacanaa 43 Figura 3 17 Sele
84. ura 4 27 Cria o da instru o de calibra o na rotina gerada seseeeeeeesereesererreseeseee 12 Figura 4 28 Trajet ria gerada no bra o da guitarra arena 73 Figura 4 29 Aspeto final do trimming ap s ensaio rrenan 74 Figura 4 30 Aspeto final do trimming ap s ensaio na zona mais cr tica 74 XV Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras xvi Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 1 Introdu o Desde sempre a evolu o industrial teve como base o desenvolvimento de mecanismos que produzissem mais melhor e com menos encargos associados de forma a melhorar a qualidade de vida da Humanidade A automa o surge assim com a inten o de melhorar a qualidade de vida do Homem n o s ao n vel econ mico mas tamb m ao n vel ambiental e de seguran a proporcionando melhores condi es de trabalho Num contexto mais industrial pode definir se a automa o como uma tecnologia que engloba sistemas mec nicos e eletr nicos assistidos por computador na opera o e controlo de produ o 1 Exemplos desta tecnologia podem incluir linhas de transfer ncia linhas de montagem centros de maquinagem e rob s tudo isto controlado por sistemas de supervis o controlo No meio industrial podem ser distinguidos tr s tipos de automa o automa o dedicada automa o program vel e automa
85. uve uma mudan a de dire o da trajet ria e consequentemente da for a exercida 73 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Figura 4 29 Aspeto final do trimming ap s ensaio Figura 4 30 Aspeto final do trimming ap s ensaio na zona mais cr tica Com este ensaio pode se concluir que o uso da calibra o do modelo apesar de mais trabalhoso e demorado um processo que permite obter resultados mais satisfat rios quando comparado com o uso da rotina de calibra o autom tica 74 Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras 5 Conclus es e trabalhos futuros A realiza o desta disserta o permitiu perceber e fundamentar conclus es no que diz respeito aplica o de rob s industriais em opera es de acabamento e em particular no trimming de guitarras feitas em materiais comp sitos Apesar dos rob s industriais terem sido introduzidos na realiza o de opera es de acabamento na d cada de 70 esta uma rea ainda em grande desenvolvimento Assim toda a divulga o de informa o referente programa o off line de rob s bem como os detalhes de algumas solu es existentes ainda muito reduzida tornando o processo de contextualiza o do tema um pouco moroso Por outro lado a aus ncia de informa o relativamente ao processo de trimming de guitarras limitou bastante a programa o e execu o dos ensaios
86. vas que tiveram sempre como objetivo melhorar a nossa presta o Quero tamb m agradecer empresa Ideia m em particular ao Eng J lio Martins e Eng Jo o Petiz por todo o apoio e tamb m pelo material fornecido Ao Sr Joaquim Silva por toda disponibilidade e ajuda prestada A todos os meus amigos por todo o acompanhamento confian a e palavras de incentivo Joana obrigado por todos os momentos de felicidade apoio e compreens o E por ltimo agrade o minha fam lia em especial minha irm Laura e aos meus pais Carlos Angelino e Nat rcia Angelino por me darem esta oportunidade me apoiarem e aconselharem de forma incondicional ao longo de toda esta etapa da minha vida estando sempre presentes tanto nos bons como nos maus momentos IX Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras Conce o de uma c lula rob tica para opera es de acabamento de guitarras ndice k Introd cao as dr A O AR E a eles 1 1 1 AMCOMIAGAG e RODONCA nessen dana O UT 3 1 1 1 Rob tica em opera es de rebarbagem ssessssssessseeessseessressersseresserssseessres 5 12 Rob Industrial vs CNC asia postagens sans estan eesaee iassa 6 1 3 Controlo de forca sas sa a e a ao 7 1 4 Programa o de um TODO sseni tenge eE a aiga 8 1 5 Prod c o de guitarras ge Ri E E R O E SSES 10 1 5 1 Guitarras feitas em materiais comp sitos sssessssssessseseeseeessresseessees

Conceção e simulação de uma célula robótica para operações de

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