FUNDAMENTOS DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ROBÔ INDUSTRIAL
CURSO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Introdução à robótica Atua Atualme lment nte, e, em nosso nosso país país,, a tecn tecnol olog ogia ia da robó robóti tica ca é pouc pouco o conhecida. O significado do termo "robô" ainda se prende ao da ficção científica. Esta situação cultural causa alguns obstáculos na implantação de robôs. O mais avançado robô industrial existente hoje seria uma enorme decepção para um leigo no assunto, e depois que lhe fosse explicado que aquela máquina, totalmente diferente da imagem de um homem mecânico, é o chamado robô industrial, certamente o acharia medíocre, desajeitado e incapaz. Porém, apesar das limitações atuais dos robôs industriais, eles já desempenham um papel relevante nos processos industriais realizando trabalhos de colagem, soldagem, pintura e até mesmo serviço de montagem mecânica. A quantidade de robôs de uso industrial aumentou nos últimos anos em virt virtu ude da impl implan anttação ação,, part partic icul ular arme ment ntee pela pelass indu indust stri rias as automobilísticas, de robôs em sua linha de montagem. A utilização de robôs também se tornou freqüente na medicina: na área área cirú cirúrg rgic icaa (car (cardí díaca aca,, ofta oftalmo lmoló lógi gica ca,, etc.) etc.),, na tele teleop oper eraç ação ão,, na reabilitação por meio de próteses de pernas e braços e em operações em ambientes adversos (exploração submarina, em cavernas, espacial, etc.). Os robôs podem ser classificados segundo o ponto de vista das suas diferentes utilidades, em três classes, a saber: Os robôs manipuladores são robôs industriais reprogramável, mult multif ifun unci cion onal al,, proj projet etad ados os para para move moverr mate materi riai ais, s, peça peças, s, ferramentas ou dispositivos especiais em movimentos variáveis programados para a realização de uma variedade de tarefas. São exem ex empl plos os de robô robôss mani manipu pula lado dore ress os braço braçoss mecâ mecânic nicos os,, ou qualquer sistema que, em geral, tenha por objetivo deslocar material de um ponto a outro do espaço ou acompanhando uma trajetória dentro de um volume de trabalho. Os robôs robôs explor explorado adores res são robô robôss que têm têm como como obje objeti tivo vo expl ex plor orar ar um dete determ rmin inad ado o ambi ambien ente te,, este este não não prec precis isaa ser ser necessariamente uma superfície plana, mas também pode ser um determinado espaço ou inclusive um objeto fixo, e relevar atra atravé véss de sens sensor ores es cara caract cter erís ísti tica cass físi física cass dele dele.. Um clar claro o exemplo dessa classe é o robô enviado a Marte para monitoramento da superfície do planeta. As máquinas-fe máquinas-ferramen rramenta ta ou robô obôs que que tem tem por por obje bjetivo tivo processar uma determinada matéria-prima, aumentando o valor agregado. São exemplos disso os robôs de solda, nos quais devem ser programados os movimentos da ponta de solda para •
•
•
2
Introdução à robótica Atua Atualme lment nte, e, em nosso nosso país país,, a tecn tecnol olog ogia ia da robó robóti tica ca é pouc pouco o conhecida. O significado do termo "robô" ainda se prende ao da ficção científica. Esta situação cultural causa alguns obstáculos na implantação de robôs. O mais avançado robô industrial existente hoje seria uma enorme decepção para um leigo no assunto, e depois que lhe fosse explicado que aquela máquina, totalmente diferente da imagem de um homem mecânico, é o chamado robô industrial, certamente o acharia medíocre, desajeitado e incapaz. Porém, apesar das limitações atuais dos robôs industriais, eles já desempenham um papel relevante nos processos industriais realizando trabalhos de colagem, soldagem, pintura e até mesmo serviço de montagem mecânica. A quantidade de robôs de uso industrial aumentou nos últimos anos em virt virtu ude da impl implan anttação ação,, part partic icul ular arme ment ntee pela pelass indu indust stri rias as automobilísticas, de robôs em sua linha de montagem. A utilização de robôs também se tornou freqüente na medicina: na área área cirú cirúrg rgic icaa (car (cardí díaca aca,, ofta oftalmo lmoló lógi gica ca,, etc.) etc.),, na tele teleop oper eraç ação ão,, na reabilitação por meio de próteses de pernas e braços e em operações em ambientes adversos (exploração submarina, em cavernas, espacial, etc.). Os robôs podem ser classificados segundo o ponto de vista das suas diferentes utilidades, em três classes, a saber: Os robôs manipuladores são robôs industriais reprogramável, mult multif ifun unci cion onal al,, proj projet etad ados os para para move moverr mate materi riai ais, s, peça peças, s, ferramentas ou dispositivos especiais em movimentos variáveis programados para a realização de uma variedade de tarefas. São exem ex empl plos os de robô robôss mani manipu pula lado dore ress os braço braçoss mecâ mecânic nicos os,, ou qualquer sistema que, em geral, tenha por objetivo deslocar material de um ponto a outro do espaço ou acompanhando uma trajetória dentro de um volume de trabalho. Os robôs robôs explor explorado adores res são robô robôss que têm têm como como obje objeti tivo vo expl ex plor orar ar um dete determ rmin inad ado o ambi ambien ente te,, este este não não prec precis isaa ser ser necessariamente uma superfície plana, mas também pode ser um determinado espaço ou inclusive um objeto fixo, e relevar atra atravé véss de sens sensor ores es cara caract cter erís ísti tica cass físi física cass dele dele.. Um clar claro o exemplo dessa classe é o robô enviado a Marte para monitoramento da superfície do planeta. As máquinas-fe máquinas-ferramen rramenta ta ou robô obôs que que tem tem por por obje bjetivo tivo processar uma determinada matéria-prima, aumentando o valor agregado. São exemplos disso os robôs de solda, nos quais devem ser programados os movimentos da ponta de solda para •
•
•
2
acompanhar os contornos das peças a soldar, as furadeiras de controle numérico, onde no programa figuram as coordenadas e diâmetros dos furos a serem realizados, os tornos de controle numé numéri rico co,, entr entree muit muitas as outr outras as máqui máquina nass de uso uso comu comum m na industria metalúrgica. Braço mecânico Um robô consiste de um braço mecânico motorizado programável que apresenta algumas características antropomórficas e um cérebro na forma de um computador que controla seus movimentos. O computador guarda em sua memória um programa que detalha o curso a ser seguido pelo braço. Quando o programa está em funcionamento, o computador envia sinais ativando motores que movem o braço e a carga no final dele, mantida sobre controle pelo atuador (end effector). O braç braço o mecâ mecâni nico co é um mani manipu pula lado dorr proj projet etad ado o para para real realiz izar ar diferentes tarefas e ser capaz de repeti-las. Para executá-las, o robô move move partes partes,, objeto objetos, s, ferram ferrament entas as e dispos dispositiv itivos os especi especiais ais segund segundo o movimentos e pontos pré-programados. A figura 1 mostra a estrutura de um robô industrial em uma analogia com o ser humano.
3
Figura 1 Leis da robótica Em 1940, o grande escritor norte-americano de ficção científica Issac Asimov estabelece três leis e somente quarenta e quatro anos depois, em 1984, a quarta lei para a robótica:
4
•
•
•
•
1ª) Um robô não pode ferir um ser humano ou permanecer passivo deixando o ser humano exposto ao perigo. 2ª) Um robô deve obedecer às ordens dadas pelos seres humanos, exceto se tais ordens estiverem em contradição com a primeira lei. 3ª) Um robô deve proteger sua existência na medida em que essa proteção não estiver em contradição com a primeira e segunda lei. 4ª) Um robô não pode causar mal a humanidade nem permitir que ela própria o faça.
Entretanto, cabe observar que os robôs têm braços e articulações capazes de realizar trabalhos repetitivos e autônomos, mas não sensibilidade para controlar a si próprio e resolver os problemas que poderão surgir. Componentes básicos do robô industrial Todos os robôs industriais têm elementos básicos que permitem a programabilidade e versatilidade do equipamento. Um robô industrial pode ser representado pelo diagrama de blocos da figura 2.
5
Figura 2
Descrição de cada bloco: •
•
•
•
•
•
Fonte de potência: Fornece a energia na forma adequada para os acionadores do robô. Manipulador com garra e acionadores: Este conjunto é composto de engrenagens, elementos de transmissão e acionadores, possuindo graus de liberdade suficientes para a execução das tarefas destinadas ao robô. A garra é o dispositivo responsável pela execução do trabalho. Controlador: É responsável pela coordenação e execução das funções a serem desempenhadas pelo robô. Memória de tarefa: É o meio de armazenamento utilizado pelo controlador para guardar programas de novas tarefas ou, a partir de programas anteriormente guardados, executar uma tarefa já apreendida. Dispositivo de programação de tarefa: Uma unidade de entrada e saída com funções tais que facilitem a programação do robô por um operador. Dispositivos de sincronização: São dispositivos e funções que permitem a coordenação das ações do robô com máquinas e/ou eventos externos. 6
•
Sistema sensorial: Conjunto de sensores que permite ao robô reconhecer mudanças de condições no seu ambiente de trabalho.
Apesar de compartilharem de elementos básicos comuns, os robôs industriais, dependendo do universo de aplicação para os quais foram construídos, diferem enormemente uns dos outros segundo sua cinemática (relações entre as posições, trajetórias, velocidades e acelerações das juntas e as do efetuador, sem importar as forças ou torques necessários para a movimentação das juntas), seus tipos de acionamento, seus sistemas de controle e seus sensores. Precisão e repetibilidade Dois parâmetros característicos dos robôs são a precisão e a repetibilidade. Por precisão entende-se a capacidade do robô de ir a uma posição desejada de um sistema de referência fixo, base do robô, com um erro determinado (por exemplo, ±0,1 mm). A repetibilidade pode ser entendida como a capacidade do robô de, uma vez conhecida e alcançada uma posição, e partindo sempre da mesma condição inicial, repetir a posição com um erro determinado pelo fabricante. Na figura 3 o alvo é o círculo central (C.C.) então o gráfico da esquerda mostra boa precisão e repetibilidade, uma vez que os posicionamentos estão todos agrupados no alvo. No gráfico do meio, o resultado agrupado mostra uma boa repetibilidade, mas o desvio bruto (em relação ao C.C.) revela uma precisão baixa. O gráfico da direita apresenta posicionamentos agrupados frouxamente em torno de todo o alvo, o que quer dizer alta precisão, mas baixa repetibilidade. As três ilustrações mostram as curvas de distribuição dos pontos acessados para os três gráficos.
7
A L T A P R E C IS Ã O A L T A R E P E T IT IV ID A D E
B A IX A P R E C IS Ã O A L TA R E P E T IT IV ID A D E
A L TA P R E C IS Ã O B A IX A R E P E T IT IV ID A D E
B A IX A P R E C IS Ã O B A IX A R E P E T I T IV ID A D E
Figura 3 Aspectos técnicos da Robótica industrial Existem diferentes configurações físicas ou diferentes anatomias, nos robôs manipuladores. Cada uma delas encontrará utilidade em alguma aplicação específica. Essas configurações estão determinadas pelos movimentos relativos das três juntas, aquelas destinadas ao posicionamento do efetuador. Para cada combinação possível haverá uma configuração física ou anatomia diferente. Observe que a configuração física independe do tamanho dos elos ou vínculo (hastes ou espaço entre duas juntas), pois eles determinarão em todo caso o tamanho do espaço de trabalho, mas não sua forma. 8
Juntas robóticas O braço manipulador de um robô é capaz de se mover para várias posições devido à existência de uniões ou juntas, também denominada de eixos, que lhe permitem executar tarefas diversas. O movimento da junta de um robô pode ser linear ou rotacional.
Figura 4 O número de juntas determina os graus de liberdade do robô; a maioria deles possui de três a seis eixos, os quais podem ser divididos em duas classes: eixos do corpo e eixos da extremidade do robô. Os eixos da base do corpo, que permitem movimentar a ferramenta terminal para uma determinada posição no espaço, são denominados cintura, ombro e cotovelo (Waist, shoulder e elbow em inglês). Com os eixos da extremidade do robô, figura 5, determinada rolamento, mergulho e guinada (roll, pitch e yaw), é possível orientar a ferramenta terminal.
9
Tipos de junta
Figura 5
Os braços robóticos podem ser constituídos por juntas: •
Prismática “P” (ou translação), que permite o movimento linear entre dois elos. São compostos de dois elos alinhados um dentro do outro; o elo interno escorrega pelo externo e dá origem ao movimento linear. Ver figura 6. A figura 7 mostra como podemos construir um vínculo.
Figura 6 •
Figura 7
Rotativa “R” (ou de revolução), cuja conexão possibilita movimento de rotação entre dois elos unidos por uma dobradiça comum, com uma parte podendo se mover num movimento cadenciado em relação à outra. As juntas rotativas são utilizadas em diversas ferramentas e dispositivos, tais como em tesouras, limpadores de pára-brisa e quebra-nozes.
10
Figura 8 •
Do tipo bola-e-encaixe “S” (ou esférica), conexão que se comporta como uma combinação de três juntas de rotação, permitindo movimentos de rotação em torno dos três eixos.
Figura 9 A maioria dos braços robóticos é interligada por juntas deslizantes e de rotação, embora alguns incluam a do tipo bola-e-encaixe. Graus de liberdade O número de articulações em um braço robótico está associado ao número de graus de liberdade. Um robô industrial possui seis graus de liberdade, três para o posicionamento da ferramenta terminal e três para a orientação, compatível com tarefas segundo seu volume de trabalho. Com menos de seis graus de liberdade não se alcançam todos os pontos de um ambiente de trabalho. Um robô com mais de seis juntas é denominado robô redundante, o que significa que tem mais graus de liberdade do que o mínimo necessário para a execução da tarefa. A título de curiosidade, um ser humano tem sete graus de liberdade do ombro até o pulso, como podemos ver na figura 10.
11
Figura 10 Tipos de Robôs Na maioria dos robôs manipuladores industriais, independentemente do tamanho e formas dos seus elos, dispõe-se das configurações básicas: • • • • •
Coordenadas cartesianas; Coordenadas Cilíndricas; Coordenadas esféricas ou polares; Coordenadas de revolução ou articulada; e Scara.
As configurações físicas, então, estão caracterizadas pelas coordenadas de movimento nas três primeiras juntas (iniciando pela base) ou pelas três primeiras coordenadas generalizadas, que são as variáveis (nas juntas de revolução, serão os ângulos de rotação entre um elo e o anterior e, nas juntas prismáticas, à distância entre um elo e a junta que o une com o elo anterior) que representam o movimento delas.
12
Robô de coordenadas cartesianas Um robô de coordenadas cartesianas (ver figura 11), ou robô cartesiano, podem se movimentar em linha reta, em deslocamentos verticais e horizontais. As coordenadas cartesianas especificam um ponto do espaço em função de suas coordenadas x, y e z, Esses robôs têm três articulações deslizantes e são codificados como PPP. Como exemplo temos a fresa.
Figura 11 Robô de coordenadas cilíndricas Estes tipos de robôs combinam movimentos lineares com movimentos rotacionais, descrevendo um movimento final em torno de um envelope cilíndrico. Normalmente, possui um movimento rotacional na cintura e movimentos lineares. Os graus de liberdade dos robôs de coordenadas cilíndricas, codificado como RPP, como mostra a figura 12, consiste de uma junta de revolução e duas juntas deslizante s
13
Figura 12 Robô de coordenadas polares ou esféricas Um robô de coordenadas polares ou esféricas possui dois movimentos rotacionais, na cintura e no ombro, e um terceiro linear, os três eixos descrevem um envelope esférico. Esses robôs, codificados como RRP, como pode ser visto na figura 13, possui duas juntas de rotação e uma deslizante.
Figura 13 Robô de coordenadas de revolução ou articulado As juntas e os movimentos de um robô de coordenadas de revolução ou articulado se assemelham aos de um braço humano. Caracterizam-se por possuir três juntas de revolução e são codificados como RRR , como mostra a figura 14.
14
Figura 14
Robô Scara
O robô Scara, uma configuração recente utilizada para tarefas de montagens, é codificado como RRP e caracteriza-se por possuir duas juntas de revolução e uma deslizante. Embora na configuração sejam encontrados tipos de juntas idênticos aos de uma configuração esférica, ela se diferencia da esférica tanto pela aparência como pela faixa de aplicação, ver figura 15. A aparafusadeira é um bom exemplo de aplicação.
Figura 15 A tabela 1 mostra um resumo dos vários tipos de robôs relacionando-os com as juntas, as vantagens e as desvantagens. Robô •
Cartesiano • •
•
Cilíndrico • •
Juntas Cintura prismática Ombro prismático Cotovelo prismático Cintura com revolução Ombro prismático Cotovelo prismático
•
• •
•
• •
•
Vantagens Movimento linear em três dimensões Estrutura rígida Fácil visualização Modelo cinemático simples Fácil visualização Bom acesso a cavidades e aberturas da máquina Grande força quando usado com acionamentos
•
•
•
•
Desvantagens Pouca flexibilidade Estrutura mecânica muito rígida Espaço restrito de trabalho A parte traseira do robô pode ultrapassar o volume do espaço do trabalho
15
•
Polares (Esféricos)
•
•
•
Revolução (Articulado)
•
•
Cintura com revolução Ombro com revolução Cotovelo prismático Cintura com revolução Ombro com revolução Cotovelo com revolução
•
•
• •
•
•
hidráulicos Cobre um grande volume a partir do Suporte central Pode se dobrar para apanhar objetos do chão Flexibilidade máxima Cobre um grande espaço relativamente ao volume do robô É adequado a motores elétricos Tem alcance acima e abaixo dos objetos
•
•
•
•
•
•
Scara •
•
Cintura com revolução Ombro com revolução Cotovelo prismático
•
Operações de montagens
•
Difícil visualização
Modelo cinemático complexo Difícil visualização Controle do movimento linear é difícil Quando no alcance máximo, a estrutura não é muito rígida Área de cobertura menor que o revolução
Tabela 1 A tabela 2 abaixo mostra a classificação ou codificação dos robôs com os respectivos tipos de juntas. TIPO DE ROBÔS Cartesiano Cilíndrico Polar Revolução Scara
JUNTAS PPP RPP RRP RRR RRP
Tabela 2 16
Garras e ferramentas Os robôs são projetados para atuar sobre seu ambiente, mas, para tanto, devem ser dotados de terminais do tipo: •
garras ou mãos mecânicas: com sujeição por pressão; com sujeição magnética; com sujeição a vácuo; com sujeição de peças a temperaturas elevadas; resistentes a produtos corrosivos/perigosos; com sensores etc. • • • • • •
•
ferramentas especializadas: pistola pulverizadora (pintura, metalização); soldagem por resistência por pontos; soldagem por arco; dispositivos de furação; polias etc. • • • • •
Como o atuador é elemento fundamental na execução de uma tarefa, é necessário que seja adequadamente projetado e adaptado às condições do seu meio e da sua área de trabalho. A garra é compatível à mão humana. No entanto, ela não é capaz de simular seus movimentos, fato que resulta na limitação dos movimentos a uma faixa de operações. A grande demanda por esse tipo de atuador acarretou o desenvolvimento de garras que podem manusear objetos de diferentes tamanhos, formas e materiais. Elas podem ser assim classificadas: • • • • • •
garras de dois dedos; garras de três dedos; garras para objetos cilíndricos; garras para objetos frágeis; garras articuladas; garra a vácuo e eletromagnética.
Garras de dois dedos Os tipos de garra de dois dedos diferenciam-se entre si pelo tamanho e/ou pelo movimento dos dedos, com o movimento paralelo ou
17
movimento de rotação. A principal desvantagem dessa garra é a limitação da abertura dos dedos. Veja figura 16.
Figura 16 Garras de três dedos É similar à de dois dedos, porém permite a preensão mais firme de objetos de forma circular, triangular e irregular. Os dedos, articulados, são formados por diversos vínculos, como se vê na figura 17.
Figura 17 Garra para a preensão de objetos cilíndricos Este tipo de garra consiste de dois dedos com vários semicírculos chanfrados, figura 18, que permitem segurar objetos cilíndricos de diâmetros diferentes, mas, apresenta algumas desvantagens e as principais são: Seu peso deve ser sustentado pelo robô durante a operação; •
18
•
Os movimentos são limitados em razão do comprimento da garra.
Figura 18 Garra para a preensão de objetos frágeis Garra própria para exercer certo grau de força durante a operação de segurar um corpo, sem causar danos de nenhuma ordem, é constituído de dois dedos flexíveis que se curvam para dentro, a fim de agarrar um objeto frágil. Seu controle pode ser visto na figura 19, é feito por um compressor de ar.
Figura 19 Garra articulada
19
É projetada para agarrar objetos de diferentes tamanhos e formas. Os vínculos são movimentados por pares de cabos: um cabo flexiona a articulação e outro a estende. A destreza em segurar objetos de formas irregulares e tamanho distintos se deve à existência de um número elevado de vínculos, como mostra a figura 20.
Figura 20 Garra a vácuo e eletromagnética A garra a vácuo, projetada para prender uma superfície lisa durante e ação do vácuo, possui ventosas de sucção conectadas à bomba de ar comprimido que prendem superfícies como chapas metálicas, chapas de vidro e caixas de papelão. Para reduzir o risco de funcionamento irregular devido à perda de vácuo, é comum usar mais do que uma ventosa de sucção, como mostra a figura 21.
Figura 21
20
A garra eletromagnética é utilizada para segurar objetos que podem ser magnetizados (aço e níquel) por um campo magnético. Eles devem possuir um lugar específico em que a garra possa atuar. Tanto a garra a vácuo quanto à eletromagnética são bastante eficientes porque podem segurar objetos de vários tamanhos e não necessitam de muita pressão no posicionamento.
Ferramenta ou efetuador Em algumas aplicações onde existe a necessidade de trabalhar sobre um determinado objeto, ferramentas são utilizadas como órgãos terminais de robôs manipuladores, que as deslocam em vez do objeto a ser trabalhado. Às vezes, utiliza-se algum tipo de garra para as operações de pega e manipulação da ferramenta, com a conseqüente vantagem de permitir a utilização de mais de uma ferramenta específica durante o ciclo de trabalho. A utilização de uma garra que as ferramentas sejam trocadas, o que facilita o manuseio de várias ferramentas e a troca rápida das mesmas. Mas na maioria das aplicações dos robôs manipuladores nas quais utiliza-as uma ferramenta como efetuador, esta é presa diretamente no punho do manipulador, se este for um braço mecânico, ou no extremo do último elo, caso se trate de outro tipo de manipulador. Neste caso, a ferramenta é o efetuador, o órgão terminal destinado a trabalhar sobre a peça. Alguns exemplos de ferramentas usadas como eftuadores em aplicações robóticas incluem: • • • •
• • • •
pontas de solda para soldagem a ponto; maçaricos para soldagem a arco; bicos para pintura por pulverização; mandris para operações como:furação, ranhuramento, polimento, retífica, etc; aplicadores de cimento ou adesivo líquido para montagem; maçarico; ferramenta de corte por jato de água; ferramenta de corte laser.
Em todo caso, o robô deve controlar a atuação da ferramenta. Por exemplo, o manipulador deve coordenar a atuação de soldagem a ponto como parte do seu ciclo de trabalho, não somente a posição da ferramenta, como também sua orientação (determinada pelo últimos três graus de liberdade, residentes no punho do manipulador) para ser
21
apontada na direção certa. Veja na figura 22, um exemplo de um dispositivo de solda por arco utilizado como efetuador.
Figura 22 A ferramenta instalada varia em função da tarefa que o robô executa. Por exemplo, se a tarefa do robô é soldar, a ferramenta poderá ser uma tocha de solda, como na figura 23.
Figura 23
22
Um robô industrial pode ser dividido em três partes distintas, mas que devem operar em conjunto para fazer com que ele possa realizar a sua função a saber: eletroeletrônica, mecânica e informática. Parte eletro-eletrônica Esta parte é composta por: •
•
•
Sensores - O uso de sensores permite ao robô obter informações sobre o próprio comportamento e sobre seu ambiente de atuação com a finalidade não só de realizar as operações para a qual foi destinado, como também a de modificá-la. Os sensores podem ser agrupados em duas categorias principais: internos ou proprioceptivos, que fornecem informações sobre as variáveis do próprio robô, e externos ou exteroceptivos, cujo objetivo é obter informações do ambiente que o circunda. Tais sensores podem ser codificadores ópticos (encoders) do tipo incremental ou absoluto, sincros, resolvers, potenciômetro multivoltas, tacômetros, etc. Os sensores podem ser de posição - para informar em que posição as partes do robô se encontram, se atingiram ou não o limite de seu curso ou de velocidade - que vão informar qual é a velocidade que as partes do robô estão se movendo. circuito eletrônico de controle recebe as informações dos programas e dos sensores processa e interfere na velocidade e na posição dos motores do robô. Nos robôs industriais variam desde simples seqüenciadores mecânicos até computadores de grande porte, passando por seqüenciadores eletromecânicos, eletrônicos, controladores lógicos programáveis, microcontroladores, microcomputadores, computadores e sistemas distribuídos de microcomputadores. As potencialidades de um robô industrial determinam e são determinados pela complexidade do seu sistema de controle. circuito de memória onde são armazenadas informações necessárias para o funcionamento do robô.
Parte mecânica O robô visto pelo lado da mecânica possui os seguintes componentes:
23
•
•
•
•
Pistões e motores hidráulicos ou pneumáticos – o motor de movimento rotativo e o cilindro para realização de movimento deslizantes; Elos ou vínculos que são blocos alongados e rígidos que são unidos pelas juntas; Juntas ou eixos as quais unem os elos e tem influência direta na mobilidade destes e é um par cinemático que une dois elos; Órgão terminal que são pontas ou garras que vão ter contato direto com a peça ou objeto a ser trabalhado.
Parte da informática A informática entra em um robô justamente com os programas de controle do mesmo. Para que os robôs possam realizar sua missão, é necessário programá-los. Um robô pode executar tarefas por meio de programas elaborados diretamente no computador que o controla, os quais empregarão uma das várias linguagens de programação de robôs ou do modo de repetição play-back, em que se utiliza o “comando manual”. Tal método é usado para simplificar a programação, pois, quando o robô está no modo ensino (teach), é possível movê-lo de forma desejada por meio de teclas do comando manual. Também existe a possibilidade de editar programas, selecionar velocidades, mudar parâmetros da tarefa (por exemplo, inserir e/ou apagar parâmetros de soldagem), entre outras opções. Após ser programado, o robô repete automaticamente os movimentos entre os pontos gravados. Se houver a necessidade de um ponto ser corrigido, pode-se executar o programa para trás passo a passo, alcançar o ponto desejado e corrigi-lo. O resultado é uma importante economia de tempo. Nos últimos anos, a programação dos robôs industriais evoluiu bastante. Hoje eles podem ser programados por comando vocal, por meio de sistemas gráficos interativos, da geração de planos de ação, de realidade virtual etc. Aplicações e exemplos Em relação aos robôs, algumas aplicações e exemplos:
24
a - Manipulação de materiais: Manipulação de peças; Paletização; Transporte; Tratamento término (fundição e forjaria).
b - Carregamento de máquinas: Máquinas de moldagem; Prensas automáticas; Centro de usinagem; Centros de torneamento.
c - Tratamento de superfície e vaporização (spray): Pintura; Aplicação de resinas.
d - Usinagem: Furação; Rebarbamento; Polimento.
e - Montagem: Encaixe de peças; Aperto.
f - Inspeção e controle de qualidade: Controle de posicionamento; Tolerância.
g - Soldagem: Ponto a ponto; A arco.
Robôs na Soldagem Atualmente, acredita-se que, de cada dez robôs trabalhando nas indústrias, seis estão envolvidos em operações de soldagem, principalmente nos processos por resistência elétrica, mais conhecido como "soldagem a ponto", e na soldagem ao arco elétrico, principalmente o processo MIG.
25
Figura 24 O Robô Industrial É impossível falar em automação do processo de soldagem sem se referir a um tipo muito especial de máquina: o robô industrial. Mas o que é um robô industrial, afinal de contas? Robôs industriais são máquinas controladas por computador e destinadas a realizar uma grande variedade de tarefas. Ou seja, são máquinas flexíveis, adaptáveis a serviços diferentes, bastando que para isso mudemos a ferramenta com que ela trabalha e seu programa (um tipo de "receita de bolo" que diz ao robô, passo-a-passo como a tarefa deve ser feita, numa linguagem que ele seja capaz de entender). Assim, um mesmo robô pode ser capaz de pintar gabinetes de máquinas de lavar roupa com uma pistola de pintura a ar comprimido, rebarbar peças numa fundição ou soldar estruturas de automóveis numa linha de montagem. Basta que mudemos seu programa de operação e a ferramenta que ele deve segurar. Por exemplo: um tipo de robô industrial, conhecido como robô articulado ou angular (RRR ) pode ser visto na figura 25.
26
Figura 25 Ele é composto por uma série de peças (corpo, braço, antebraço etc.) articuladas e acionadas por motores elétricos. O conjunto de posições de cada peça num certo momento determina a posição da extremidade (ou punho) do robô onde é fixada a ferramenta ou garra com a qual ele irá trabalhar. Para cada motor elétrico que aciona cada parte do robô, existe pelo menos um sensor de posição que detecta a localização de cada uma daquelas peças. Os motores e os sensores estão ligados ao computador que controla o robô. Por meio do programa, o computador compara as ordens que você deu ao robô com a sua posição atual, conhecida por intermédio dos sensores. Se a posição em que o robô se encontra é diferente daquela que você desejava, o computador se encarrega de realizar as correções necessárias. Os Robôs Soldadores O primeiro robô industrial apareceu por volta de 1960. Suas primeiras tarefas foram as de carregar e descarregar peças em máquinas. Entretanto, o tempo mostrou que esta não seria a ocupação mais importante dessas máquinas, e a soldagem se tornou seu principal 27
campo de aplicação. Vários fatores contribuíram para que isso acontecesse: Os postos de soldagem apresentam um ambiente inseguro e pouco confortável ao trabalho humano, pois nele estão presentes as radiações térmica e luminosa, os gases e as fagulhas metálicas. Em muitas operações de soldagem, o soldador é obrigado a manejar equipamentos e colocar-se em posições desconfortáveis para que possa efetuar a tarefa num ponto específico da peça. A repetição constante de um mesmo tipo de tarefa leva o soldador à fadiga física e compromete a qualidade do serviço. Num robô, ao contrário, a repetibilidade e precisão dos movimentos são constante durante toda sua vida útil. •
•
•
Na figura 26, o carro é transportado por uma esteira até a unidade de trabalho, onde estão localizadas as estações de solda. A esteira por sua vez deve posicionar adequadamente a carroceria.
Figura 26 Afinal, pra que computador? Atualmente, utilizam-se computadores com grande capacidade de armazenamento de dados e elevada velocidade de realização de cálculos matemáticos. Esses computadores permitem que os robôs tenham mais movimentos e possam executá-los com um grau de precisão da ordem de ±0,05 mm. Ainda é uma precisão pobre quando a comparamos com as necessárias em operações de usinagem, porém é considerada satisfatória nas operações típicas de robôs como soldagem e pintura.
28
Na soldagem ao arco elétrico, por exemplo, esses computadores controlam os movimentos do robô, de modo que este mantenha uma distância constante entre o eletrodo e a peça, assegurando a formação de um arco voltaico satisfatório. Além disso, controlam as velocidades do braço do robô e de alimentação do arame do eletrodo, de modo que garanta um cordão de solda de boa qualidade. Se não bastasse tudo isso, o computador ainda "toma conta" dos outros equipamentos que fazem parte da célula de produção e, muitas vezes, se comunica com os computadores que controlam outros robôs de modo que todos eles possam trabalhar em harmonia, sem riscos de colisões e com o máximo aproveitamento de sua capacidade produtiva. Ensinando o robô Como já dissemos, os robôs industriais necessitam de um programa para que possam realizar sua tarefa. Esse programa pode ser escrito numa linguagem própria, capaz de ser entendida pelos robôs, e em seguida ser introduzido na memória do computador que vai controlar seus movimentos. No entanto, em vez de descrever esse programa, adotou-se um método que se tornou bastante popular na indústria: a programação conhecida como "Teaching" ou "Ensinamento". Quando estamos ensinando uma criança a escrever, costumamos pegá-la pela mão e fazê-la descrever com um lápis o contorno de uma determinada letra. Fazemos isso várias vezes, para tentar acostumá-la com os movimentos para que possa, em seguida, realizá-los sozinha. Para programar robôs pelo método "Teaching", fazemos uma coisa bastante parecida. Suponhamos que desejamos fazer com que o dispositivo de solda a ponto mostrada a seguir, montado na extremidade de um robô, execute os pontos de solda na estrutura do automóvel. Ver figura 27. Com o auxílio de um painel de controle, chamado de "Teaching Box" ou "Caixa de Ensinamento", movimentamos manualmente o robô, fazendo com que o dispositivo de soldagem passe por todos os pontos desejados, um de cada vez. A cada ponto, pelo painel de controle, fazemos com que o computador de controle do robô memorize sua posição salvando os pontos. Após completar essa fase de ensinamento, o robô estará então preparado para executar, desta vez sozinho e automaticamente, toda a tarefa.
29
Figura 27 Como você pode ver, o robô foi mesmo uma mão na roda para as tarefas repetitivas e perigosas da soldagem. Além disso, ele veio atender às necessidades de produtividade e de regularidade nos resultados da soldagem, imprescindíveis para a manutenção de níveis de qualidade que tornem uma indústria competitiva em um mundo de economia globalizada desse início de século XXI. Check List Já pensou o que seria de nós sem uma agenda ou um calendário nas mãos? Com o passar do tempo, nossa vida profissional – e pessoal também – vai se transformando num amontoado de compromissos e obrigações, cuja organização depende de controle e anotações. Já que vivemos anotando nossos compromissos e conferindo o que já foi feito, que tal aplicar essa técnica elaborando um Check List? Isso é essencial para não deixar que as pequenas falhas passem em branco e venham comprometer a produção ou gerar uma situação de risco e até a causar um acidente. Portanto, pensando nisso, elaboramos como exemplo um “Check List Segurança” para que o operador fique certo de todas as precauções foram tomadas. Além disso, através do check list o operador consegue
30
enxergar de maneira prática, possíveis erros, e assim propor modificações ou alterações na planta. Orientações para o check list Leia cada item, e marque a sua execução antes de uma tomada de decisão. Se for o caso, refaça o check list até que todos os itens estejam marcados com sim, ao ligar o robô pela primeira vez ou religá-lo. Quando precisar alterar, atualizar ou redirecionar a operação do robô, lembre-se de aplicar o check list novamente. Nunca é demais se preocupar com a segurança, pois podemos evitar uma situação não prevista. AO LIGAR O ROBÔ AÇÕES 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
SIM
NÃO
Colocou o capacete? Colocou o protetor auricular? Verificou se o robô está sem alimentação antes de entrar na área de risco? Colocou a placa NÃO LIGAR junto ao painel de controle? Verificou o funcionamento do interlock da porta de acesso a área de risco? Acionou a chave de segurança para evitar que alguém acidentalmente ligue o robô enquanto você estiver na sua área de risco? Fez inspeção visual das garras e outros elementos do robô? Verificou se existem objetos estranhos dentro da área de risco? Verificou se não existem pessoas dentro da área de ação do robô? Fechou a porta de acesso ao deixar a área de risco? Liberou a chave de segurança? Alimentou o robô. Constatou funcionamento normal?
EM CASO DE PROBLEMAS NO SISTEMA 14 Acionar o botão que retira a alimentação do robô (Botão de Emergência). 15 Verificar através do painel de operação se a alimentação do robô realmente foi retirada. 16 Colocar a placa NÃO LIGAR junto ao painel de controle. 17 Solicitar ao seu auxiliar que fique monitorando situações de perigo. 31
18 Ao entrar na área de risco acionar a chave de segurança para evitar que alguém, acidentalmente, ligue o robô enquanto você está na área de risco. 19 Executar a operação necessária para a resolução do problema. 20 Após solucionar o problema, fazer uma rápida inspeção visual do conjunto. 21 Conferir as ferramentas para garantir que nenhuma foi esquecida em local impróprio. 22 Verificar se não existem pessoas dentro da área de risco. 23 Sair da área de risco e fechar o portão de acesso. 24 Liberar a chave de segurança. 25 Alimentar o robô.
OBS.: Mantenha este check list sempre em local visível e de fácil acesso. Aspectos sociais e econômicos O crescimento da tecnologia relacionado à automação gerou enormes benefícios. A automação possibilita grandes incrementos na produtividade do trabalho e em decorrência, o atendimento das necessidades básicas da população. Além de aumentar a produção, os equipamentos automatizados possibilitam melhora na qualidade do produto, ao uniformizar a produção e, assim, evitar perdas e refugos. A automação também permite eliminar tempos mortos, ou seja, os “operários” trabalham 24 horas por dia sem reclamar – e isso gera crescimento na rentabilidade dos investimentos. Em algumas aplicações os processos podem alcançar 100% de robotização, tal como na manipulação de materiais diversos, na soldagem por resistência por pontos e na pintura na industria automobilística. E o sucesso não se deve ao fato de ser processos simples; pelo contrário, são complexos, mas esse é um bom exemplo da relação custo-benefício. Além disso, nesse caso os robôs substituem a mão-de-obra humana em trabalhos repetitivos, de difícil execução e, muitas vezes, de alto risco. Fala-se em evolução dos robôs, mas não se pode esquecer dos impactos sociais que eles podem causar à sociedade. E quando se fala em impactos causados pela robótica o primeiro fator que nos vem à cabeça é o desemprego. As transformações que ocorrem, causadas pelo advento dos robôs, muitas vezes podem não estar visíveis para grande parte das pessoas 32
que não convivem no ambiente fabril, contudo a ascensão da robótica nas fábricas faz parte da mesma tendência que vem determinando, nos últimos anos, a crescente automatização dos bancos, do comércio e das empresas em geral, causados pelo advento da informática. No que se refere ao meio fabril, por um lado às indústrias recrutam robôs e computadores guiados por uma necessidade crucial para sobrevivência no mercado, de forma a conquistar maior produtividade e qualidade para seus produtos, de forma barata e assim assegurar competitividade frente aos concorrentes. Por outro lado, os trabalhadores ficam aterrorizados com a possibilidade de perda de emprego, causados pelos impactos que os robôs exercem sobre o nível de emprego. Certamente os robôs se instalam no lugar dos homens, muitas vezes um robô substitui dezenas ou até centenas de homens em uma linha de produção. Este temor de desemprego vem aumentando a cada dia que passa. A queda nos custos dos robôs tornando-os acessíveis para muitos setores das indústrias fez com que eles (os robôs) pudessem competir com a mão-de-obra barata, como a existente nos países do terceiro mundo, ameaçando o emprego de muitos trabalhadores. Muitas empresas multinacionais, que se instalavam em países subdesenvolvidos para utilizar-se do recurso "mão-de-obra barata", já estão pensando em reverter essa tendência e concentrar suas operações nos seus próprios países de origem, utilizando robôs para baratear seus custos. Quando se fala em desemprego, é necessário ressaltar que, não existem somente os empregos destruídos. Existem também os empregos modificados. Habilidades pacientemente adquiridas por trabalhadores, são, para alguns, bruscamente desqualificadas, porque foram tornadas inúteis pelo movimento do braço do robô. Não resta dúvida, que o que deve ser feito não é impedir o advento dos robôs, pois isto seria praticamente impossível. Por outro lado, não se deve assistir passivamente à sua chegada. O caminho é lutar para que sejam implantadas medidas que contraponham os seus possíveis impactos negativos. Por exemplo, um estudioso inglês chamado Tom Stonier, diz que o caminho seria que os governos adotassem programas maciços de educação gratuita em todos os níveis. Isto aumentaria a capacitação dos indivíduos, o que possibilitaria que descobrissem novas formas de utilização dos robôs e dos computadores e, conseqüentemente, novos serviços e produtos viessem a ser inventos ou gerados.
33
