CAPÍTULO 8

Aplicações de Robôs na Indústria.

Introdução.

Como já tem sido mencionado nos capítulos anteriores, os robôs vem sendo aplicados na indústria em uma crescente variedade de funções, as quais se mostram perigosas, entediantes e fisicamente difíceis demais para serem realizadas por seres humanos. Neste capítulo, serão descritas as mais comuns aplicações industriais envolvendo robôs, onde, em cada exemplo, serão discutidos o processo onde o robô é integrado e a sua adaptação à tarefa a ser executada.

Os principais pontos aqui discutidos são: as principais categorias de robôs, os principais tipos de aplicações, características indispensáveis do robô, características auxiliares e estágios da seleção de robôs para aplicações industriais.

Principais Categorias.

No quadro a seguor, pode-se observar as principais categorias de aplicação de robôs na industria, bem como as suas capacidades e principais benefícios gerados pelo seu uso, principalmente em células de trabalho ( ou de produção).

Em 1981 foram feitas estimativas, baseadas na situação das indústrias dos EUA na época, sobre a distribuição dos robôs dentro do conjunto de principais aplicações. O qudro a seguir ilustra essa pesquisa. Quadro 2: Uso de robôs nos EUA por aplicação


Fonte: Introduction to Robotics - Arthur J. Critchlow - pg. 29

Tipos de Aplicações.

Descreve-se a seguir algumas das principais aplicações dos robôs na indústria: Carga e Descarga de prensa, Fundição em Molde, Carga e Descarga em Máquinas de Ferramenta, Solda a Ponto, Solda em Arco, Pintura a Spray, Montagem, Acabamento.

Carga e Descarga em Prensa

O processo de prensagem é uma operação usada para dar forma e remodelar peças. A peça de trabalho é posicionada em uma prensa, a qual exerce uma pressão externa sobre a mesma, ou mesmo remove porções dela a fim de obter dela uma nova forma. A transferência de pressão da prensa para a peça de trabalho é realizada por um molde especial chamado matriz, na qual a peça é colocada para assumir a sua forma. Normalmente, a peça passa por um número variado de operações de prensagem até receber sua forma final. A figura 1 mostra uma típica célula de trabalho para uma operação de prensagem, onde o robô pega a peça bruta do alimentador de peças e posiciona-a na prensa. Na figura 2 o robô transfere a peça da prensa para correias transportadoras ou pallets, onde as peças acabadas são armazenadas. A figura 3 mostra um esquema, visto de cima, de um sistema de prensa semelhante.

Os robôs utilizados nesse processo possuem movimentos simples e trajetória não muito importante, realizando funções do tipo "apanhar e colocar", sendo assim do tipo "primeira geração". No entanto, para diminuir o tempo gasto no processo e facilitar a tarefa realizada, usa-se um braço com duas garras, uma para fase de carregamento e outra para fase de descarga sobre correia transportadora ou pallets.

Fig.1: Robô pegando uma peça na prensa. 
Fonte: Introduction to Robotics; Arthur J. Critchlow; pg. 382

Fig.2: Robô colocando uma peça no pallet. 
Fonte: Introduction to Robotics; Arthur J. Critchlow; pg. 383

Fig. 3: Vista plana superior de um sistema de prensa. 
Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; pg115

Os benefícios da integração do robô ao processo de prensagem são:

  1. redução de mão-de-obra;
  2. aumento de produtividade;
  3. significativa diminuição de acidentes;
  4. melhoria nas condições de trabalho dos seres humanos, que passam a supervisionar a produção das máquinas.
Há, no entanto, inúmeros problemas nessa integração do robô ao processo, basicamente em casos onde o sistema falha, como por exemplo quando a matéria-prima termina ou quando a peça fica presa na matriz e o robô não é capaz de extraí-la. Um meio utilizado para superar isso é o uso de sensores simples no braço do robô, os quais informarão ao controlador do robô a existência desses problemas, paralisando então o mesmo e alertando o sistema supervisor.

Fundição em Molde.

Esta operação é realizada pela injeção de uma matéria em sua temperatura de fusão dentro de um molde especial, ou matriz. Dentro da matriz, o material esfria e solidifica, tomando a forma do molde. A matriz então é aberta par se extrair a peça fundida já endurecida. A peça pode passar por uma prensa na sequência do processo para obter acabamento antes de ser armazenada em pallets. O Material do molde deve ter um ponto de fusão mais alto que o da matéria-prima, a qual geralmente é plástico, chumbo ou alumínio. Alguns processos de fundição incluem a inserção de porções de outros materiais à porção fundida com a finalidade de aumentar a capacidade mecânica do produto final.

Fig. 4: Célula de Produção de uma injetora / prensa.
Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; pg118

A figura 4 mostra uma célula de trabalho de fundição, com um robô atendendo uma máquina de fundição e uma prensa. Para evitar um mau funcionamento, o controlador do robô é conectado à matriz da máquina de fundição e à prensa. Ele supervisiona a duração das várias operações, para manter o sincronismo dentro da célula.

Carga e descarga em Máquinas de Ferramenta.

Máquinas de Ferramenta são aquelas que realizam processos de usinagem de peças, como por exemplo torneamento, desbaste, moagem, etc. Antes da integração de robôs no processo, a introdução de dispositivos CNC (Comando Numérico por Computador) reduziu a necessidade de operadores hábeis em usinagem para a realização apenas das atividades de carga e descarga das máquinas. Durante muito tempo, o uso de robôs nessa atividade ficou reduzido por acreditar-se terem custos muito elevados. Com os dispositivos CNC passando a realizar atividades de ajuste de parâmetros das máquinas, de acordo com o processo envolvido, e troca de ferramentas das máquinas, o robô veio, após provar ter uma relação ótima custo-benefício, a ocupar a posição de carga e descarga das máquinas, deixando o ser humano com a função de supervisão e reparos em peças danificadas. Assim, o robô passou a ser integrado como parte de células de trabalho, servindo várias máquinas de ferramentas, pallets e outras unidades auxiliares de transporte. A figura 5 mostra uma célula de trabalho (ou de produção) com robô atuando sobre dois tornos e um moinho.

Fig. 5: Célula de Produção com robô atuando sobre MF's.
Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; pg120

Para empregar-se robôs no processo de carga e descarga de algumas máquinas de ferramenta, todas as operações, do robô e das máquinas, devem ser precisamente temporizadas. Para isso, a estação de trabalho é projetada para permitir o posicionamento de todas as máquinas, alimentadores e pallets dentro da área de atuação (ou de trabalho) do robô, com um planejamento de todos os movimentos para se evitar colisões com equipamentos vizinhos. Os robôs móveis são capazes de alcançar e servir um grande número de máquinas. Dessa maneira, para facilitar a operação, robôs são instalados em trilhos suspensos, ao longo dos quais eles se movem, de máquina para máquina. Um exemplo desse tipo de instalação é mostrado na figura 6.

Fig.6: Robô suspenso em trilhos atuando sobre MF's.
Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; pg121

Solda a Ponto.

O processo de solda a ponto é difícil , monótono e requer um alto grau de precisão. Assim, os robôs se mostram ideais para serem integrados a esse tipo de processo, visto que seus movimentos são altamente precisos e capazes de alcançar posições difíceis, sem danificar as partes ou peças envolvidas. A flexibilidade das estações de trabalho com robôs, permitindo a armazenagem de diversos programas de solda para diferentes empregos de produção, vem a ser um importante ponto de motivação da integração de robôs no processo de solda a ponto. O processo de solda é baseado num fluxo de corrente alta entre dois eletrodos e através de dois pedaços de metal a serem unidos. Quando a corrente flui, um grande calor é gerado no ponto de contato. A pressão dos eletrodos é mantida por um curto tempo após a corrente cessar seu fluxo, a fim de manter as partes de metal juntas enquanto o ponto onde se realizou a solda resfria e se solidifica. Os eletrodos não sofrem fusão durante o fluxo de corrente devido a um fluido que flui através deles. A figura 7 mostra dois tipos de garras (pistolas) de solda e demonstra o processo de solda a ponto de duas partes metálicas.

Fig.7: Esquema de eletrodos para solda a ponto.
Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; pg122

A figura 8 mostra uma aplicação de ponto de solda na indústria automotiva. Ela mostra um carro entrando no trilho de uma célula de trabalho composta por vários robôs, de ambos os lados da linha, com a função de realizar centenas de diferentes pontos de solda no corpo do carro, em minutos. Hoje em dia, a indústria automotiva utiliza mais robôs que qualquer outro tipo de indústria, desempenhando várias funções, como soldagem, pintura e operações na linha de montagem, possuindo cerca de 30% dos robôs em operação no mundo.

Os robôs que realizam solda a ponto executam movimentos complicados, tais como seguir contornos de peças e alcançar pontos inacessíveis sem danificar as peças que estão sendo soldadas. Desta forma, muitas aplicações de solda utilizam robôs com 6 GDL (graus de liberdade) - três para posicionamento e três para orientação ou postura em relação à peça. Embora os movimentos necessários aos robôs de solda a ponto sejam complicados, o único ponto que requer uma grande precisão é o ponto onde a solda ocorre de fato, sendo assim possível a utilização de controle ponto-a-ponto durante a trajetória do robô entre os pontos de solda. Para se evitar colisões entre o robô e as peças que estão sendo soldadas durante o movimento deste entre dois pontos de solda, o robô é instruído com um grande número de posições pelas quais ele deve passar no seu percurso até o próximo ponto de solda. O ensino de tarefas de solda a ponto é um processo complicado. O robô deve ser manualmente transportado através de cada um dos centenas de pontos de solda, devendo ser posicionado com uma precisão de +/- 1mm. Como, em solda a ponto, os eletrodos devem estar perpendiculares às peças, essa precisão se mostra ainda mais difícil de ser atingida.

Fig.8: Desenho de uma linha de produção automotiva
realizando um conjunto de soldas a ponto.
Fonte: Introduction to Robotics; Arthur J. Critchlow; pg. 397

Numa linha de montagem automotiva, vários modelos diferentes são produzidos, cada qual com diferentes séries de pontos de solda, tornando o processo de ensino dos robôs envolvidos na realização dos pontos de solda dos carros muito longo e cansativo. Esse processo pode ser simplificado utilizando-se softwares capazes de alterar a orientação de uma pistola de solda sem alterar sua localização no espaço. Assim, permite que o atuador do robô, ou seja, a pistola de solda (mostrada na figura 9), seja trazido ao local desejado e então realizar a orientação desejada sem ter de corrigir as posições de suas juntas.

Fig.9: Pistola de solda a ponto da Milco Manufacturing Company. É acoplada ao braço do robô.
Fonte: Introduction to Robotics; Arthur J. Critchlow; pg. 399

As operações do processo de solda a ponto, integrando o robô, são:

As principais vantagens envolvidas no uso de robôs em pontos de solda são:

  1. melhor qualidade da solda;
  2. posicionamento preciso das soldas, assegurando resistência;
  3. economia de mão-de-obra e tempo.

As principais desvantagens são as falhas que podem ocorrer no processo devido à deterioração física dos eletrodos e ao tedioso processo de ensino.

Solda em Arco.

A solda em arco é um processo usado para se unir duas partes de metal ao longo de uma área de contato contínua. Nele, as duas partes de metal são aquecidas ao longo da área de contato até o metal fundir-se; ao esfriar-se, o metal fundido se solidifica, unindo as duas partes.

Para criar uma corrente elétrica, dois eletrodos com diferentes potenciais, alimentados pelo equipamento de solda, são necessários. A pistola de solda em arco tem apenas um eletrodo, com o objeto a ser soldado servindo como segundo eletrodo. Esse tipo de pistola é também usada em alguns raros casos de solda a ponto. Os objetos de metal são aquecidos por uma corrente elétrica, que flui através dos eletrodos na pistola de solda e através de um vão de ar para o objeto sendo soldado. Quando se usa um robô para realizar uma solda em arco, a pistola de solda é fixada como atuador do mesmo e o eletrodo é alimentado através de um cabo condutor paralelo ao braço do robô. A pistola de solda também dispersa um gás especial para prevenir a área aquecida contra a oxidação, o que iria prejudicar a qualidade da solda. O processo de solda em arco necessita do uso de robôs de alta qualidade com softwares sofisticados, capazes de realizar as seguintes operações:

Para se encontrar os requisitos acima, o processo desolda em arco necessita de robôs com as seguintes características:
  1. cinco a seis graus de liberdade;
  2. controle de trajetória contínua, para mover-se exatamente ao longo da trajetótia de solda e regulagem de velocidade.
  3. alta repetibilidade.
A figura 10 mostra um braço de robô realizando uma operação de solda em arco.

Fig.10: Robô da Aronson Machine Company (Modelo CMB2) realizando uma solda em arco.
Fonte: Introduction to Robotics; Arthur J. Critchlow; pg. 416

Os problemas resultantes da adaptação do robô à solda em arco incluem: - o uso do método "TEACH-IN" na solda em arco é um processo complicado, especialmente no caso de trajetórias curvas;

O uso de um sensor para identificar a linha de união entre as partes pode solucionar esses problemas, eliminando o estágio de aprendizado. Assim, o sensor guia o braço do robô e seu atuador (a pistola de solda) ao longo da linha de união através da luz e do calor gerados no processo. A figura 11 mostra uma estação de trabalho de solda em arco, mostrando componentes como "jigs" e "mesa giratória indexada", usados para dar precisão ao posicionamento das partes a serem soldadas.

Fig.11: Célula de Trabalho de Solda em Arco.
Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; pg129

Em suma, as principais vantagens do uso de robôs em solda em arco são: - melhora da qualidade da solda em relação àquela realizada pelo ser humano;

  1. redução de horas de trabalho, especialmente quando a solda é feita numa curta trajetória;
  2. redução de custos, devido à pouca utilização de mão-de-obra altamente especializada;
  3. habilidade de trabalho contínuo, uma vez que os operadores humanos devem descansar ocasionalmente, devido às condições difíceis de trabalho.
  4. melhoria das condições de trabalho do ser humano, que deixam de trabalhar em altas temperaturas e de usar máscara e roupas protetoras.

Pintura a Spray.

O uso de robôs na pintura a spray consiste na fixação de uma pistola de tinta spray ao atuador do robô. Tem como características principais:
  1. controle de trajetória contínua;
  2. movimentos rápidos;
  3. baixa repetibilidade: ensinado pelo método "TEACH-THROUGH" ou pelo método "MASTER-SLAVE".
Na aplicação de tinta spray, a flexibilidade dos robôs se torna evidente, os quais podem armazenar um programa específico para cada tipo de parte a ser pintada. Muitos robôs utilizados nessa aplicação não possuem sistema de sensoreamento. Isso porque a parte a ser trabalhada é posicionada a uma dada distância e direção da base do robô, podendo ser realizado em objetos parados ou em movimento. No caso de objetos estáticos, o robô começa a operação apenas depois de receber um sinal confirmando que a parte a ser pintada está corretamente posicionada. Quando trabalhando com objetos móveis, os robôs recebem sinais do trilho usado para transportar as peças, sinais estes que continuam sendo emitidos enquanto a peça estiver em movimento, atualizando o robô acerca da distância e da direção da peça em relação à base. As figuras 12 e 13 mostram robôs realizando pinturas a spray.

Fig.12: Robôs de Pintura numa linha de Produção Automotiva.
Fonte: Introduction to Robotics; Arthur J. Critchlow; pg. 392

Fig.13: Robô atuando num arranjo de partes suspensas.
Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; pg.132

As principais vantagens da integração de robôs ao processo de pintura a spray são:

  1. rápido retorno de investimento;
  2. melhoria das condições de trabalho do ser humano.
Os principais problemas são:

Montagem.

Montagem significa pegar peças separadas, colocá-las juntas e então uní-las. Na montagem pode se exigir o uso de garras e ferramentas especiais. Por exemplo, os robôs poderiam executar tarefas de montagem - primeiro usando garras para trazer peças e colocá-las em um lugar - e, em seguida, usar ferramentas especiais para fixá-las, como rebitadeiras ou grampeadores.

Os robôs que atuam nestas operações são de grande importância pois aproximadamente 40% do custo da mão de obra vem da montagem. As operações de montagem que envolvem os robôs não são muito simples, mas são relevantes devido principalmente a redução de custos da produção. Para alguns problemas devem ser representadas soluções, tais como:

A precisão teve ser mantida na orientação do atuador para assegurar que a parte montada está segura com o ângulo correto, o que não é fácil de se obter. Em muitas operações de montagem elementos de diferentes tamanhos e formas e são montados num elemento central. De tal forma que o atuador do robô deve ser capaz de manusear objetos assimétricos ou mudar as garras no meio de uma operação. Para isso pode-se usar um trocador de ferramentas automático, que é muito recomendável em casos onde um elemento é trabalhado pelo robô ao invés de simplesmente manuseado, como numa chave de fenda automática. As velocidades empregadas podem ser maiores do que as requeridas na maior parte das aplicações industriais podendo ser comparadas às de montagens manuais. Robôs mais rápidos reduzem o tempo de montagem, entretanto, o movimento do braço durante a montagem não podem ser feito em velocidades máximas, pois implica em perda de precisão. Os métodos de montagem se dividem em duas categorias:
  1. montagens na direção vertical;
  2. montagens em diferentes direções.
A primeira requer robôs cartesianos, cilíndricos ou articulados horizontalmente com quatro ou cinco graus de liberdade. No Japão utiliza-se ao invés de apenas um robô para executar muitas tarefas, várias máquinas com um a três movimentos, o que é desvantajoso apenas pela perda de flexibilidade em relação aos sistemas que empregam robôs com poucos graus de liberdade e podem facilmente ser convertidos para montar novos produtos. A figura 14 mostra uma estação de montagem onde o robô pega elementos de uma esteira e de um alimentador e coloca três diferentes elementos juntos para serem montados. A operação é mostrada na figura 15.

Fig. 14 - Estação de montagem
Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; fig. 8.10

Fig. 15 - Exemplo de montagem
Fonte: Robotics Training Program - Test Book 1; Eshed Robotic; fig. 8.11

Uma maneira de aumentar a precisão dos robôs é instalar um dispositivo remoto central de verificação (RCC) perto da articulações do punho do robô, como na figura 16. Neste exemplo o robô impreciso leva a cavilha ao orifício com orientação errônea. A orientação das forças nos pontos de contato causam movimento da garra em relação ao braço do robô. A figura 17 mostra a estrutura de um dispositivo remoto central de verificação.

Fig. 16 - Uso do dispositivo remoto central de verificação
Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; fig. 8.12

Fig. 17 - Estrutura do dispositivo remoto central de verificação
Fonte: Robotics Training Prpgram - Test Book 1; Eshed Robotic; fig. 8.13

Os robôs até agora não adquiriram a combinação de boa visão, tato, destreza e mão multi-dedos que montagens complexas requerem. Hoje, robôs de montagem trabalham melhor os produtos especialmente projetados para fácil montagem. Isto significa minimizar o número de peças, utilizar movimentos simples, facilitar a colocação de peças na posição relativa correta, fazer peças facilmente alinháveis e encaixáveis. Para solucionar p

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Prof. Marcelo N. Franchin
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atualizado em quarta, 24 de agosto de 1999 por Marcelo Franchin.