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Célula Robótica Industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
Nuno Ferreira Rodrigues
Dissertação do MIEM
Orientadores:
Prof. Paulo Augusto Ferreira de Abreu
Prof. António Manuel Ferreira Mendes Lopes
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Opção de Automação
Porto, Julho de 2011
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
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Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
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“Better to die standing, than to live in your knees”
Ernesto Rafael Guevara de la Serna
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Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
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Resumo
As actuais condições dos mercados obrigam a que, mesmo peças com tiragens pequenas,
sejam feitas rápida e eficazmente.
A introdução de robôs em operações de maquinagem, é vista como uma boa aposta em termos
de flexibilidade e de custo/peça permitindo responder às exigências do mercado. O grande
entrave sentido na aplicação de robôs, pelas empresas, é a programação das trajectórias, de
maquinagem, pelo método tradicional (online).
A procura de soluções levou a que programas destinados a máquinas ferramenta, fossem
adaptados para a programação de robôs. Esta solução permite que se criem, pelo método
offline, caminhos complexos sem que a célula precise de parar, aumentando, assim, a sua
eficiência.
A realização deste projecto tem como objectivo a aplicação, implementação e validação de
ferramentas CAD/CAM para a programação de robôs industriais. Assim, partindo de um
programa de comando numérico gerado por uma aplicação de CAD/CAM, deverá ser gerado
um programa em linguagem Rapid (linguagem dos robôs ABB). O programa deverá ser
validade e simulado com recurso o software de programação offline da ABB (Robotstudio).
Posteriormente, o programa deverá ser implementado na célula robótica disponível.
Numa primeira fase, o trabalho consistiu num enquadramento dos temas associados. Seguiu-
se um estudo aprofundado dos elementos constituintes da célula robótica existente, assim
como a criação de interfaces de ligação. A passagem para o meio virtual impulsionou a
criação de alguns testes, de modo a percebe-se melhor, a influência de parâmetros como a
orientação da ferramenta. A última fase do trabalho consistiu na aplicação e validação dos
programas gerados recorrendo à célula robótica existente e ao software de programação
offline do fabricante do robô.
A geração de programas, em linguagem robô, para operações de maquinagem, recorrendo ao
software CAD/CAM, é acompanhada de erros. Foi possível concluir que os erros são
relacionados com uma modelação errada da amplitude das juntas do robô e com uma falta de
informação nos acessórios criados. O uso do software Robotstudio, como intermédio de
confirmação dos programas gerados, provou-se vantajoso permitindo a detecção e
compreensão, desses erros, antes da passagem para a célula real. A correcção de alguns dos
erros obtidos em versões mais actuais do software de CAD/CAM evidencia que a utilização
de robôs em aplicações de maquinagem é uma técnica recente e com perspectivas de
crescimento.
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Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
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Abstract
The present market conditions demand that even to produce parts in small batches it is
necessary to have flexible machining process.
The use of robots in machining operations is a good strategy in terms of flexibility and cost
per piece allowing to be up to the demands of the market. The major obstacle felt by the
companies when using robots is the programming of the paths of the machining operations,
using the traditional method (online).
The search for solutions led to the conversion of programs designed for machine tools into
robot programs. This solution allows the production of complex paths, by the offline method,
without stopping the cell, increasing, this way, the effectiveness.
The purpose of this project is the application, implementation and validation of CAD/CAM
tools to program industrial robots. Starting with a numerical control program generated by an
application of CAD / CAM, a program must be generated in Rapid language (language of
ABB robots). The program should be validated and simulated using the software for offline
programming of ABB (RobotStudio). Afterwards the program should be implemented in the
available robotic cell.
Initially, the work involved a review of the current developments and associated themes. Then
a detailed study of the elements of the existing robotic cell, as well as the creation of
connection interfaces was carried out. The transition to the virtual environment led to the
creation of some tests in order to test the influence of parameters such as the orientation of the
tool. Finally the work involved the application and validation of programs generated using the
robotic cell and the existing offline programming software from the manufacturer's robot.
The programs generation, in robot language, for machining operations, using CAD / CAM
software, is accompanied by errors. It was concluded that the errors are related to a wrong
modeling of the robot joint amplitude and with a lack of information on the created
accessories. The use of RobotStudio software, as means of confirming the generated
programs, proved to be advantageous allowing the detection and understanding, of these
errors, before the transition to the real cell. The correction, in current versions, of some of the
obtained errors in the CAD / CAM software evidence that the use of robots in machining
applications is a recent development and with growth prospects.
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Agradecimentos
Aos meus orientadores, professor Paulo Abreu e professor António Mendes Lopes pela
disponibilidade e ajuda no contorno das dificuldades encontradas.
Ao professor Francisco Freitas pelas iniciativas tomadas com intuito de melhor a nossa
formação.
Ao professor Joaquim Fonseca pela ajuda oferecida na realização dos desenhos de definição
das interfaces criadas.
À minha família por me oferecer a oportunidade de estudar e apoiar ainda que de uma
maneira não convencional.
À minha namorada Mafalda por todos os momentos de felicidade, apoio e confiança que me
dá.
Aos meus “manos” que me acompanham em todos os momentos.
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Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
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1. Introdução ........................................................................................................................... 1
2. Operações de maquinagem ................................................................................................. 3
2.1. Maquinagem e comando numérico .............................................................................. 3
2.1.1. Fresagem em máquinas ferramenta ...................................................................... 6
2.2. Softwares para maquinagem CAD/CAM .................................................................... 7
2.2.1. Mastercam ............................................................................................................ 8
2.2.2. PowerMILL .......................................................................................................... 9
2.2.3. SolidCAM/InventorCAM ..................................................................................... 9
2.3. Robôs industriais ........................................................................................................ 10
2.4. Programação de robôs ................................................................................................ 12
2.5. Maquinagem com robôs industriais ........................................................................... 14
2.5.1. Stäubli RX 170 HSM .......................................................................................... 15
2.5.2. ABB 6660 205/1,9 .............................................................................................. 15
2.5.3. Programação de robôs para aplicações de maquinagem .................................... 16
3. Configuração da célula robótica ....................................................................................... 19
3.1. Célula robótica real .................................................................................................... 19
3.1.1. Robô ABB IRB2400/16 ..................................................................................... 19
3.1.2. Célula de carga ATI IP60 ................................................................................... 20
3.1.3. Mudança de ferramenta SCHUNK SWS-011 .................................................... 20
3.1.4. Mesa posicionadora ABB IRBP C500 ............................................................... 21
3.1.5. Controlador ABB IRC5 ...................................................................................... 22
3.1.6. Motor árvore Precision Drive Systems (PDS) XLC 070 .................................... 22
3.1.7. Controlo do motor árvore: variador de frequência DELTA Electronics
VDF037V43 ..................................................................................................................... 24
3.1.8. Interfaces de ligação motor/robô ........................................................................ 25
3.1.9. Sistemas de segurança ........................................................................................ 30
3.2. Célula robótica virtual ............................................................................................... 31
Índice
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
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3.2.1. Modelação em Mastercam/Robotmaster ............................................................ 32
3.2.2. Modelação em Robotstudio ............................................................................... 34
4. Análise de factores que influenciam a capacidade do robô seguir um trajecto de
maquinagem ............................................................................................................................. 37
5. Testes na célula virtual ..................................................................................................... 43
5.1. Teste 1 ....................................................................................................................... 43
5.2. Teste 2 ....................................................................................................................... 48
5.3. Teste 3 ....................................................................................................................... 49
5.4. Teste 4 ....................................................................................................................... 50
6. Testes na célula real ......................................................................................................... 53
6.1. Teste 1 ....................................................................................................................... 54
6.2. Teste 2 ....................................................................................................................... 55
6.3. Teste 3 ....................................................................................................................... 57
7. Conclusões e trabalhos futuros ........................................................................................ 61
8. Referências ....................................................................................................................... 63
Anexos ..................................................................................................................................... 65
Anexo A ............................................................................................................................... 67
Anexo B ............................................................................................................................... 69
Anexo C ............................................................................................................................... 70
Anexo D ............................................................................................................................... 71
Anexo E................................................................................................................................ 72
Anexo F ................................................................................................................................ 73
Anexo G ............................................................................................................................... 74
Anexo H ............................................................................................................................... 75
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
1
Num mundo competitivo em que a oferta aumenta diariamente, a mudança, a inovação e a
adaptabilidade são os caminhos que as empresas devem seguir para conseguirem manter-se
actuais e competitivas.
A obtenção de produtos com toleranciamentos apertados encontra-se altamente desenvolvida
e perfeitamente dominada no mundo industrial, sendo acompanhada pela evolução
computacional em forma de softwares de programação. Estes softwares permitem “à distância
de um clique” obter todas as funcionalidades desejadas, sendo possíveis optimizações dos
mesmos para processos mais dedicados.
Devido ao custo associado à utilização de máquinas ferramenta, peças que não exigem níveis
de acabamento elevados, são, tipicamente, produzidos manualmente ou com máquinas muito
dedicadas, não permitindo uma evolução dos mecanismos nem um acompanhamento do
mercado actual. A área de negócio destes produtos com menores requisitos superficiais é, na
realidade, muito extensa, passando por produtos de prototipagem rápida até peças ornamentais
e arquitectónicas.
As vantagens da utilização de robôs industriais levaram a que estes fossem candidatos ideais
para a automatização desta área menos explorada. A grande dificuldade encontrada na
aplicação de robôs a estes processos é a sua programação. Um caminho de maquinagem
contém um número elevado de pontos e, como os robôs não se regem por uma linguagem
universal, as empresas de software tem mais dificuldades na evolução. Mesmo assim, existem
no mercado diversas marcas que produzem softwares capazes de programar robôs de
diferentes fabricantes para aplicações de maquinagem.
Os objectivos deste trabalho enquadram-se na evolução desta área de aplicações, tendo-se
como meta o estudo de softwares de programação de robôs destinados a processos de
maquinagem. Existindo uma célula robótica no Departamento de Engenharia Mecânica da
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sentiu-se a necessidade de aplicar os
estudos realizados e assim poder tirar conclusões com alguma validação prática. Esta
aplicação impossibilitou o estudo de todos os processos de maquinagem, escolhendo-se a
fresagem de topo como processo a estudar.
A primeira parte do estudo realizado focou-se numa melhor compreensão dos temas que, de
alguma forma, influenciavam a obtenção dos resultados pretendidos. Fez-se uma revisão
bibliográfica sobre máquinas ferramenta e softwares de programação destas, de robôs e
processos de programação e, por fim, um estudo da aplicação de robôs para tarefas de
maquinagem. Os resultados obtidos neste estudo encontram-se descritos no capítulo dois.
Depois de uma compreensão sobre os temas a abordar estudou-se com alguma profundidade a
célula real existente. Deste estudo surgiu a necessidade de criar interfaces de ligação entre o
1. Introdução
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
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motor árvore e o robô para permitir a sua utilização conjunta. O desenho dessa interface
implicou o estudo da orientação a utilizar na colocação da ferramenta no robô, que levou à
realização de diversos testes. A descrição da célula existente é feita no terceiro capítulo assim
como a sua passagem para o meio virtual. Para ser possível a modelação da célula real em
meio virtual tiveram de ser criados alguns dos componentes e depois editados, dependendo do
programa a utilizar. O recurso a um programa de CAD/CAM (Mastercam/Robotmaster) com
capacidade de programar robôs era suficiente para a realização deste trabalho, porém
escolheu-se confirmar os traçados criados num software de programação do fabricante do
robô (Robotstudio). A aprendizagem destes softwares envolveu a realização de diversos
tutoriais.
A realização dos testes para se avaliar qual a melhor orientação da ferramenta encontra-se
descrita no capítulo quarto, assim como as conclusões obtidas.
Com a definição da célula robótica em ambiente virtual passou-se à realização de testes e
respectivas simulações para avaliar a sua possibilidade de execução na célula real. Os erros
obtidos durante essas simulações assim como as correcções necessárias estão descritos no
capítulo quinto.
A passagem para a célula real foi feita em conjunto com as alterações na virtual. Foi um
processo iterativo tornando possível a correcção imediata dos erros obtidos. Mesmo assim
decidiu-se estruturar o relatório de maneira separada encontrando-se, no sexto capítulo, os
testes realizados na célula real.
No último capítulo do presente trabalho encontram-se as conclusões tiradas de todos os
estudos realizados. Sumarizando-os é possível dizer que a utilização de softwares de
CAD/CAM com possibilidade de programação de robôs é uma técnica que ainda traz
associados erros, nos programas gerados, e que cria, devido a uma evolução lenta por parte
dos criadores, dificuldades na modelação de elementos da célula real na célula virtual. É
também notável a evolução que estes softwares estão a sofrer, sendo a prova de que estas
aplicações (maquinagem com robôs) são uma matéria recente e com expectativas de
crescimento.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
3
2.1. Maquinagem e comando numérico
Pode definir-se maquinagem como sendo o processo mecânico de trabalho de materiais onde
há arranque de apara. São processos precisos e rápidos, mas dispendiosos, sendo geralmente
aplicados depois de processos sem arranque de apara [1]. Apresentam-se alguns exemplos de
técnicas de maquinagem:
Torneamento
Aplainamento
Furação
Serragem
Rectificação
Fresagem
As diferenças existentes entre estas técnicas levou a que fossem criadas máquinas específicas
para cada uma e, como fazem uma movimentação mecânica de uma ferramenta, são
usualmente conhecidas como máquinas ferramenta.
O controlo dos drivers dos motores, sistemas de segurança, meios de comunicação e
recentemente softwares de apoio à gestão e desenvolvimento do produto têm vindo a ser
integrados no módulo do Comando Numérico Computadorizado (CNC).
A primeira utilização de um módulo CNC foi em 1952, onde se controlava uma fresadora de
três eixos por um sistema híbrido analógico/digital de fita perfurada [2]. Nos dias correntes,
os módulos CNC, incluem sistemas abertos (com base em computadores e sistemas
operativos), contêm controlo adaptativo e permitem um controlo da produção comunicando
com sistemas de gestão e supervisão. Começam também a ser incluídos softwares de
desenvolvimento de produto que permite diminuir o tempo de comunicação entre projectista,
programador e operador (floor programming). Esta diminuição tem grandes efeitos a nível
monetário uma vez que uma percentagem dos custos de fabrico é determinada pelas soluções
especificadas no projecto [3].
O número de eixos controlados também aumentou, conseguindo-se hoje, em alguns
processos, o controlo de 5 eixos sincronizados: os 3 eixos cartesianos e a orientação segundo
dois planos da peça. Esta evolução permite a maquinagem de formas cada vez mais
complexas.
Tipicamente um sistema de comando numérico é constituído por uma interface com o
utilizador (MMI – Man Machine Interface), uma unidade de processamento (NCK –
Numerical Control Kernel), que interpreta e interpola um programa, e um autómato
programável responsável pelas entradas digitais do sistema (Figura 2.1) [4].
2. Operações de maquinagem
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
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Figura 2.1: Constituintes de um módulo de CNC [4]
Uma das grandes dificuldades em termos de maquinagem é a criação do programa. Durante
muitos anos a linguagem de programação era normalizada segundo a norma ISO 6983/1,
também conhecida como códigos G&M. Esta linguagem era numa parte igual para todas as
máquinas mas trazia associados comandos específicos para cada construtor ou processo. Este
facto tornava a linguagem não universal, pelo que foi criada uma nova norma ISO 10303-238,
também conhecida por STEP-NC [4]. Com esta nova linguagem é possível o intercâmbio do
mesmo programa entre várias máquinas, mas a sua utilização está muito restringida pelo
número de máquinas que a aceitam e pela quantidade de pessoas familiarizadas pela norma
antiga. Na Figura 2.2 está apresentada a ideia que levou à criação da nova norma, a
capacidade de ter um fluxo de informação universal entre as várias fases do projecto.
Figura 2.2: Fluxo de informação com a norma STEP [5]
Como em muitos outros sectores das tecnologias a indústria aeroespacial causou um grande
salto evolutivo na área da maquinagem. Com a necessidade de peças em materiais mais duros
e com melhores acabamentos superficiais, surgiu por volta do ano 1976 a produção de peças
recorrendo a maquinagem de alta velocidade (HSM - High Speed Machining). Este conceito
fez com que toda a estrutura das máquinas e controladores tivesse que ser revista e é ainda
hoje considerada como uma solução de alto nível tecnológico. É de referir que a nível de
mercado esta tecnologia apresenta a vantagem de permitir reduzir o tempo de produção de
uma peça e assim diminuir o seu custo unitário.
A ideia deste conceito é aumentar a velocidade de maquinagem e, consequentemente, a
velocidade de avanço, fazendo com que esta seja maior que a velocidade de condução
térmica, concentrando a maior parte do calor dissipado no material removido. Apresenta-se na
Figura 2.3 um gráfico onde é possível ver a diminuição da temperatura com o aumento da
velocidade [6]. Apesar de não haver uma definição para a velocidade a que se dá a passagem
de maquinagem convencional para maquinagem a alta velocidade, podem apontar-se
velocidades da ferramenta na ordem das dezenas de milhares de rotações por minuto e na
ordem das dezenas de metros por minutos para as velocidades de avanço.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
5
Figura 2.3: Diminuição da temperatura com o aumento da velocidade de fresagem [6]
Para suportar esta tecnologia, as máquinas têm de ter a nível mecânico uma simetria e
equilíbrio dos pesos do motor, pinça (collet) e suporte da ferramenta (tool holder) já que estes
vão rodar a velocidades na ordem das trinta e cinco mil rotações por minuto. Deve também
conseguir acomodar velocidades elevadas de avanço e todas as vibrações associadas ao
processo a estas velocidades.
As ferramentas devem ter uma elevada resistência ao desgaste, elevada dureza a quente e a
frio e elevada condutividade térmica, para além de terem um baixo coeficiente de atrito e de
dilatação. Para conseguir responder a estes requisitos usam-se materiais como os Cermets
(agregados cerâmicos numa matriz metálica), os cerâmicos ou os materiais ultra duros
(diamantes ou nitreto de boro cúbico), sendo possível usar revestimentos (Figura 2.4) para
aumentar as características mecânicas conforme o processo/material a maquinar [7].
Figura 2.4: Pastilha para torno com vários revestimentos [8]
As peças têm de ser fixadas com uma boa repetibilidade para que possam obter-se os
toleranciamentos anunciados. Para atingir os valores desejados de repetibilidade, por vezes
usa-se um apalpador, em vez da ferramenta, para determinar com exactidão um ponto de
referência da peça. Apresenta-se na Figura 2.5 um apalpador aplicado num torno mecânico,
comunicando este com o comando numérico do sistema.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
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Figura 2.5: Aplicação de um apalpador num torno mecânico [9]
O controlador deve conseguir processar e ler antecipadamente blocos de instruções de forma
rápida para poder gerar a trajectória e as ordens para os drivers dos motores.
As vantagens desta tecnologia face à maquinagem convencional são o melhor acabamento
superficial, redução do tempo em máquina por peça e do tempo de setup, possibilidade de
fazer peças de geometrias mais complexas, melhorando a resistência destas e a capacidade de
realizar peças com paredes finas. Tem como desvantagens o aumento do custo das máquinas e
ferramentas [3].
Estas evoluções trouxeram como desvantagem o custo da máquina e a obrigatoriedade de ter
operadores com grande nível de conhecimentos.
No presente trabalho, uma vez que o estudo de todos os processos de maquinagem seria difícil
de fazer e de testar na célula robótica virtual/real, optou-se por escolher um único processo de
maquinagem para realizar um estudo mais aprofundado sobre este. A escolha do processo
começou com a definição das restrições da célula robótica (expostas no capítulo 3), havendo
mesmo assim dois processos que correspondiam às limitações impostas: a fresagem e a
furação. Decidiu-se optar pela fresagem uma vez que é um processo mais complexo e que
hoje em dia engloba frequentemente a furação.
2.1.1. Fresagem em máquinas ferramenta
Por meio de fresagem podem ser fabricadas peças dos mais diversos materiais, por exemplo,
de aço, ferro fundido, metais não ferrosos e materiais sintéticos, com superfícies planas ou
curvas, com entalhes, com ranhuras, com sistemas de dentes, etc. [1].
Sendo este, um processo complexo e com capacidade de ser muito flexível (várias famílias de
produtos), surgiram no mercado diferentes estruturas, conseguindo-se fresadoras mais
dedicadas e por consequência uma diminuição no custo unitário do produto. Todas as
estruturas partilham um ponto em comum, a ferramenta é animada de um movimento de
rotação feito num motor alojado na árvore da máquina. Estes motores têm como requisito a
disposição de uma valor de binário constante, para poderem suportar a força de corte que o
material produz, trabalhando em gamas de velocidades a partir das novecentas rotações por
minuto até às doze mil rotações por minuto ou, em casos de maquinagem a alta velocidade,
até valores mais elevados. De maneira a respeitar esta condição os motores empregues na
árvore são normalmente motores de corrente alternada chamados de motores árvore ou
“spindles”.
A movimentação da ferramenta é feita segundo o eixo cartesiano z (altura) recorrendo-se à
mesa onde a peça está fixada para obter os movimentos nos restantes eixos cartesianos.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
7
Actualmente, devido à evolução que estas máquinas têm tido, o nome fresadora deixou de
fazer tanto sentido e passou a utilizar-se o nome centro de maquinagem. Nestes centros
encontra-se a capacidade de orientação e de movimentação da peça e da ferramenta até 6
eixos, funções de gestão e funções de outros processos como, por exemplo, a fabricação de
peças de revolução, associadas a tornos mecânicos.
Existem duas possibilidades de posicionamento do eixo da ferramenta (fresa) relativamente ao
eixo da peça (Figura 2.6): perpendicular ou paralelo. Caso este seja perpendicular, a fresagem
chama-se de topo, e encontra-se nas fresadoras verticais. Caso o eixo esteja posicionado
paralelamente, designa-se fresagem cilíndrica e encontra-se nas fresadoras horizontais.
Na fresagem frontal ou de topo a ferramenta utiliza todas as navalhas para cortar a peça, tendo
como efeito aparas de espessura uniforme. Este tipo de disposição do eixo da ferramenta
relativamente ao da peça proporciona um rendimento de corte 15 a 20% mais elevado e uma
superfície mais lisa [1], quando comparada com a fresagem cilíndrica.
Figura 2.6: Orientação do eixo da fresa vs eixo da peça
Dentro da fresagem cilíndrica existem duas possibilidades. Na fresagem a “empurrar” o
sentido de rotação da fresa é contrário ao movimento de avanço, sendo este o método mais
utilizado uma vez que não precisa de forças de corte tão elevadas. Se o sentido de rotação
coincidir com o movimento de avanço chama-se fresagem a “puxar”, sendo aconselhado para
obtenção de grandes taxas de remoção de material.
Neste tipo de máquinas as aparas são retiradas das peças por meio da rotação da fresa, sendo
este o movimento principal ou de corte. Para a obtenção da espessura da apara desejada
recorre-se ao movimento da mesa.
2.2. Softwares para maquinagem CAD/CAM
Com a evolução das máquinas ferramenta e a necessidade de peças com geometrias mais
complexas, surgiram no mercado softwares com a capacidade de programar caminhos de
maquinagem independentes da complexidade da peça. Estes softwares acompanharam a
evolução computacional e do mercado, englobando hoje em dia, softwares destinados ao
projecto assistido por computador (CAD – Computer Aided Design) e ao suporte na
elaboração dos planos de fabrico (CAPP – Computer Aided Process Planning).
A integração CAD/CAM, além da diminuição de custos que proporciona pela redução de
tempo de comunicação entre diferentes fases do desenvolvimento da peça, elimina a
necessidade de pós-processadores para formato neutro, como eram precisos aquando da
passagem de ficheiros de software CAD para softwares CAM. Porém, e como referido, muitas
máquinas ainda funcionam com códigos G o que obriga a que estes softwares para se
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
8
manterem competitivos, tenham de ter pós-processadores específicos para diferentes
máquinas.
Estes softwares calculam automaticamente, depois de definida a ferramenta e o material a
maquinar, a velocidade a que o motor deve rodar e a velocidade de avanço. Estas velocidades
têm relação com a dureza do material, com o número de gumes de corte e diâmetro da
ferramenta e com a operação em si, se for de acabamento ou de desbaste.
É importante perceber-se que existe sempre a possibilidade de editar um ficheiro depois de
criado e aí mudar os parâmetros que se quer. Mas, nesse caso, o objectivo destes softwares é
perdido. A compra destes softwares, pelo custo que representam numa empresa, deve permitir
que o mesmo não provoque um efeito estrangulador (“bottleneck”) no sistema de
desenvolvimento de produto. A informação que sai do programa deve estar pronta a utilizar
sem precisar de edições ou calibrações.
Apresentam-se de seguida alguns softwares CAD/CAM e suas principais especificações. No
mercado actual as empresas vêm-se obrigadas a oferecer ao cliente o que ele precisa, tendo de
ter a capacidade de adaptar um programa base a todas as situações requeridas.
2.2.1. Mastercam
Criado pela marca CNC software Inc. (www.mastercam.com), fundada em 1983, afirma ser o
software CAD/CAM mais utilizado no mundo, tendo por isso uma vasta gama de clientes
desde a indústria aeroespacial passando pela joalharia, madeira, música, desporto automóvel,
arte entre outros. Está estruturado por módulos para poder ser configurado de acordo com a
necessidade do cliente. Este software permite ainda a simulação do programa criado, para
verificação dos traçados e detecção de colisões.
A parte de CAD permite a edição e criação de desenhos 2D e 3D assim como a importação
directa de ficheiros criados em outros softwares de desenho.
Na parte de CAM existem módulos para fresadoras, tornos, máquinas de eletroerosão,
máquinas multi-eixos, módulos específicos para trabalhar em madeira (Figura 2.7) e para arte,
permitindo um desenho com menos restrições. Saiu recentemente uma opção unicamente de
CAM para ser instalada sobre o software de desenho Solidworks ou Autodesk Inventor.
Existem ainda módulos específicos para a indústria dos moldes, criando automaticamente o
molde e todo o processo de desmoldação.
Figura 2.7: Simulação de fresagem em madeira [10]
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
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2.2.2. PowerMILL
Criado pela marca Delcam (www.delcam.com), fundada em 1977, depois de ser desenvolvido
por uma universidade inglesa (Cambridge), este software é um forte concorrente do
Mastercam. É um software completo permitindo o desenho 2D e 3D e o processamento de
trajectórias de maquinagem em sistemas multi-eixos, máquinas de electroerosão, peças com
aberturas tubulares (Figura 2.8) e peças com tamanho inferior a 1mm. Permite a simulação
para testar possíveis colisões.
Figura 2.8: Simulação de fresagem numa peça com uma abertura tubular [11]
2.2.3. SolidCAM/InventorCAM
Criados pela marca SolidCam (www.solidcam.com e www.inventorcam.com), fundada em
1984, e com clientes como Bosch, Pirelli, Yamaha entre outros, estes softwares são
exclusivamente de CAM. Têm como vantagem o facto de serem totalmente integráveis nos
softwares CAD que lhes dão o nome, o Solidworks e Autodesk Inventor respectivamente.
Esta vantagem permite que uma empresa que tenha estações de CAD e queira instalar
softwares de CAM possa fazê-lo sem ter de comprar um software completamente novo,
perdendo o conhecimento existente. Permitem a criação de traçados para máquinas de dois
eixos e meio até cinco eixos (sincronizados), máquinas de electroerosão e máquinas que
combinam a fresadora com o torno. É apresentado na Figura 2.9 um exemplo de um caminho
combinado. Estes softwares permitem a simulação do traçado numa máquina ferramenta de
modo a serem visíveis possíveis colisões Figura 2.10.
Figura 2.9: Traçado combinado de uma peça de revolução e prismática [12]
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
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Figura 2.10: Simulação numa máquina ferramenta [13]
2.3. Robôs industriais
Pela definição ISO, um robô industrial é um manipulador automático, multifuncional,
reprogramável, com controlo de posição e velocidade. Tem vários graus de liberdade, é capaz
de manipular materiais, peças, ferramentas ou dispositivos especializados através da
programação de movimentos [14].
O início da utilização de robôs no mundo industrial data de 1961, onde o primeiro robô da
marca UNIMATE (Figura 2.11) foi aplicado numa fábrica da General Motors [14]. A
evolução dos robôs acompanhou, desde então, os desenvolvimentos computacionais e
mecânicos realizados, tendo actualmente boas características de repetibilidade (de trajectória e
posição) e amplos leques de velocidades e acelerações.
A noção de repetibilidade tem grande importância na área da robótica, onde muitas aplicações
requerem movimentos repetitivos, precisando o robô de possuir consistência no
posicionamento do seu elemento terminal. É dada pelo raio da esfera que contém todos os
pontos alcançados pelo robô. A sua classificação é dada por várias normas (ISO 9283,
ANSI/RIA 15.05) e é usual obter-se repetibilidades na ordem dos centésimos de milímetro.
Figura 2.11: Primeiro robô industrial [15]
Com a evolução e o aparecimento de novos robôs no mercado surgiu também a necessidade
de os classificar. A escolha recaiu sobre a configuração física, tendo sido agrupados segundo
duas categorias: série e paralela.
A configuração série pode ser caracterizada por um conjunto de corpos rígidos (braços ou
elos), ligados em série por intermédio de juntas prismáticas ou rotativas, formando uma
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
11
cadeia articulada aberta. Um dos elos encontra-se fixo a uma base de suporte ficando o último
livre, permitindo acoplar garras ou ferramentas.
Dentro desta configuração existem as seguintes estruturas:
Articulada, revoluta ou antropomórfica (Figura 2.12);
Cilíndrica;
Cartesiana;
Polar;
Scara;
Spine;
Pendular.
Figura 2.12: Exemplo de robô com estrutura revoluta [16]
Estas estruturas diferem no tipo de juntas usadas, sendo as suas características gerais, a fácil
programação, velocidades elevadas e boa precisão. Este tipo de configuração (série) é a mais
usada.
A configuração paralela (Figura 2.13) é formada por duas plataformas, uma fixa e outra
móvel, ligadas por duas ou mais cadeias cinemáticas abertas e independentes. Cada cadeia
cinemática apresenta uma estrutura constituída por um conjunto de elos ligados em série por
juntas activas ou passivas. Esta configuração tem como vantagens principais a elevada
velocidade de actuação e uma maior rigidez quando comparada com a estrutura série [17].
Figura 2.13: Exemplo de robô de estrutura paralela [18]
A movimentação dos robôs pode ser feita de três maneiras diferentes: movimentação linear,
onde o robô segue um movimento linear de um ponto para o outro, movimentação circular,
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
12
criando uma trajectória circular entre dois pontos e movimentação de junta, onde o robô
atinge a posição desejada de uma maneira “livre”.
2.4. Programação de robôs
Assim como noutros equipamentos automáticos a programação é a maneira a partir da qual se
consegue estabelecer a sequência de movimentos/tarefas desejadas. A linguagem de
programação usada varia de construtor para construtor trazendo dificuldades na programação
de robôs de marcas diferentes dentro da mesma célula. Na Tabela 2.1 são enumeradas
algumas das linguagens de programação usadas e respectivos fabricantes que as utilizam:
Tabela 2.1: Linguagem de programação segundo fabricante de robôs
Tradicionalmente a programação de robôs era feita através de uma consola ligada ao
controlador do robô, chamando-se de programação online. Esta maneira de programação
caracteriza-se pela obrigatoriedade da paragem da célula, trazendo quebras de produtividade e
um consequente aumento do custo do produto. Traz também um nível de insegurança elevado
para o programador e célula robótica. A vantagem deste método, e talvez a principal razão
pelo qual ainda continua a ser muito utilizado, é o facto de não ser preciso adquirir nenhum
material/software extra e não precisar de qualificação do operário. O ensinamento de pontos
pode ser feito de duas maneiras, através da consola ou, em casos de trajectórias complexas
(pintura, deposição de vedantes ou colas) recorrendo à cooperação entre o programador e o
elemento terminal do robô (guiamento activo ou passivo) [2]. No caso em que os pontos são
atingidos por movimentação da consola, estão à disposição do programador diferentes
referenciais que permitem uma movimentação do robô de uma forma mais intuitiva.
Facilmente se move ou orienta o elemento terminal de um robô para um ponto com
deslocações ou rotações segundo um referencial cartesiano, o que não acontece com a
movimentação por incrementos aos valores das juntas. Os referenciais mais utilizados são o
da base do robô ou zero da máquina (mundo), o da ponta da ferramenta ou zero da ferramenta
(TCP - Tool Center Point) e, em caso de existir, o referencial da peça ou zero da peça. Em
qualquer um destes métodos, o ponto pretendido quando atingido é gravado na memória do
controlador não sendo preciso efectuar ajustes ou calibrações.
Assim como aconteceu com os robôs, a sua programação também evoluiu com base nos
avanços computacionais. Num primeiro plano surgiu a evolução das consolas de programação
criando-se interfaces mais amigáveis, ecrãs maiores e tácteis e actualmente a substituição da
ligação cablada por ligações bluetooth.
Porém e face à evolução dos mercados em que se exige que as produções sejam cada vez mais
limpas (sem desperdícios) e rápidas (redução de tempos de preparação) surgiu a necessidade
de programar a célula robótica sem que esta parasse. Foi então criado um segundo método de
programação, também conhecido como programação offline. Esta programação consegue,
hoje em dia recriar em computador (Figura 2.14), todos os meios de programação efectuados
na consola, movimentação do robô (“jogging”) ou por linguagem de programação,
Fabricante Linguagem
ABB Rapid
FANUC Karel
REIS robotics IRL
KUKA KRL
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
13
disponibilizando-os de uma maneira mais amigável (“user friendly”). O objectivo principal
deste método foi atingido uma vez que é possível programar-se novos caminhos sem que a
célula robótica tenha de parar e, através de ferramentas de simulação (Figura 2.15), podem
prever-se colisões evitando assim acidentes potencialmente perigosos para o
programador/célula. As desvantagens da programação offline são a obrigatoriedade de
adquirir um software específico e a necessidade de, mesmo assim efectuar-se ajustes por
programação online devido a possíveis erros de modelação na célula virtual.
Figura 2.14: Programação offline [19]
Figura 2.15: Simulação [20]
É importante perceber-se que, como as linguagens de programação de robôs não são
universais o software tem de ter ou a capacidade de se adaptar a diferentes linguagens ou, por
outro lado ter a limitação de só poder trabalhar com uma certa linguagem. Existem assim dois
tipos de softwares podendo ser classificados de genéricos, caso consigam trabalhar com mais
que uma linguagem ou de dedicados. Apresenta-se na Tabela 2.2 uma listagem de alguns
softwares de programação offline e correspondentes linguagens compatíveis.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
14
Tabela 2.2: Softwares de programação offline e compatibilidade dos mesmos
Software Compatibilidade com robôs
RobotStudio® ABB
Robostudio REIS robotics
Roboguide Fanuc
Motosim Motoman
WORKSPACE ABB, Adept, Esched, Fanuc, Mitsubishi
COSIMIR Mitsubishi, Bosch Rexroth e Staubli Robo
A introdução deste método de programação nas empresas tem vindo a ser mais lenta do que o
esperado, uma vez que a utilização de robôs ainda é feita na sua maioria para aplicações
dedicadas, não rentabilizando assim o custo do software. Mesmo não havendo dados que o
comprovem, acredita-se que este método tem vindo a oferecer condições de trabalho mais
favoráveis, fazendo assim com que haja um declínio na utilização da programação da célula
robótica pelo método online.
2.5. Maquinagem com robôs industriais
A utilização de robôs industriais para realização de tarefas de acabamento data de 1974 onde
o primeiro robô completamente eléctrico da marca ASEA era utilizado para polimento de
tubos de aço inoxidável (Figura 2.16). Devido ao custo associado a uma máquina ferramenta
as operações de acabamento (rebarbagem, lixagem e polimento) eram feitas manualmente
trazendo irregularidades, erros humanos e perigo para os trabalhadores. A criação de robôs
com seis ou mais eixos de movimento e o aparecimento do controlo de força permitiu a
realização dessas tarefas por robôs.
Figura 2.16: Robô ASEA para polimento [21]
A evolução dessa utilização seria a substituição das máquinas ferramenta por robôs,
aproveitando a vantagem do maior volume de trabalho. Porém, e como um robô não possui
um nível de rigidez equiparável a uma máquina ferramenta, tendo como consequência um
pior toleranciamento do produto, a evolução caminhou no sentido da complementação da
máquina ferramenta. Em casos em que o toleranciamento não é um requisito fulcral, a
utilização de robôs prova-se mais económica e por vezes mais flexível.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
15
A evolução de robôs dedicados à maquinagem tem continuado com o objectivo de melhorar a
sua rigidez e precisão de posicionamento. Apresenta-se na Tabela 2.3 a síntese das
características de dois robôs projectados para essa finalidade.
Tabela 2.3: Robôs projectados para operações de maquinagem
Fabricante Modelo Graus de liberdade Capacidade de carga [kg]
Stäubli RX 170 HSM 5 65
ABB IRB 6660 205/1,9 6 205
2.5.1. Stäubli RX 170 HSM
Este robô foi desenhado para operação de maquinagem contendo o motor árvore (“spindle”)
integrado na estrutura do robô como é possível ver na Figura 2.17. Esta integração permite
obter uma maior rigidez assim como a passagem de todas as ligações do motor por dentro do
robô: eléctrica, de arrefecimento e lubrificação. Uma das grandes vantagens que a compra de
um robô com estas especificações traz é a integração do comando do motor no controlador do
robô, permitindo o seu controlo através da consola de programação ou tecnologias offline.
Figura 2.17: Stäubli RX 170 HSM [22]
A marca possibilita a escolha de 3 diferentes motores árvore para operações de maquinagem a
alta velocidade, sendo apresentadas as suas características na Tabela 2.4.
Tabela 2.4: Caracteristicas dos motores árvore possíveis de escolher
Fabricante/modelo Velocidade de rotação [rpm] Potência [KW]
Precise/SD5084 500 até 20000 8
Fischer/MFM1224/42 2000 até 42000 17
Fischer/MFM1224 2000 até 24000 17
2.5.2. ABB 6660 205/1,9
Assim como o robô Stäubli apresentado anteriormente, este robô (Figura 2.18) foi
aperfeiçoado para operações de maquinagem. A construção mecânica possibilitou um
incremento de 75% de rigidez face a robôs normais [21].
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
16
Figura 2.18: ABB 6660 205/1,9 [23]
A oferta de motores árvore é feita na forma “chave na mão” dependendo do robô a aplicar. O
conjunto contém o motor e respectivo driver, bem como as ligações e o software que permite
o controlo através da consola de programação (Figura 2.19).
Figura 2.19: Página de controlo do motor na consola ABB [24]
Mesmo com estas evoluções a aplicação de robôs para processos de maquinagem continua a
ser em peças em que não sejam precisos toleranciamentos apertados. A gama de materiais que
são trabalhados vai desde espumas e plásticos a metais (operações de pré-maquinagem)
passando por madeiras e pedra.
2.5.3. Programação de robôs para aplicações de maquinagem
A programação de robôs industriais para aplicações de maquinagem é uma tarefa muito
complicada e complexa uma vez que num traçado de maquinagem o número de pontos é
elevado. Assim como aconteceu na programação de traçados para máquinas ferramenta
também nos robôs sentiu-se a necessidade de criar softwares capazes de os programar
independentemente da complexidade do traçado.
É preciso não esquecer que a programação de robôs não se rege por uma linguagem universal,
trazendo associado dificuldades na criação dos softwares.
Uma vez que os softwares CAD/CAM já se apresentavam disponíveis no mercado, alguns
fabricantes desenvolveram pós-processadores para serem compatíveis com a linguagem dos
robôs.
A simulação da movimentação do robô e das trajectórias de maquinagem possibilita não só a
visualização de possíveis colisões, mas serve também para aferir a capacidade do robô chegar
a todos os pontos e verificar se as interpolações entre eles são possíveis.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
17
Apresenta-se na Tabela 2.5 a informação sintetizada de três softwares de programação de
robôs para tarefas de maquinagem.
Tabela 2.5: CAD/CAM para robôs e características
Software
Software
base Pós-processamento Simulação
Nº de eixos
permitidos
Robotmaster
www.Robotmaster.com Mastercam
FANUC
ABB
MOTOMAN
KUKA
STÄUBLI Sim 8
PowerMILL Robot
Interface
www.powermill.com PowerMILL
FANUC
ABB
MOTOMAN
KUKA
STÄUBLI Sim 8
IRBCAM
www.irbcam.com
Mastercam
PowerMILL
SolidCam
CATIA
Etc.
ABB
MOTOMAN
KUKA
COMAU Sim 8
São apresentadas 3 empresas que usam robôs industriais para maquinagem.
Johnsons Wellfield Quarries
Empresa inglesa de trabalhos em pedra, criada em 1854 (www.myersgroup.co.uk/jwq),
conseguiu manter-se como líder no mercado devido a uma constante remodelação das
tecnologias usadas.
Após ganhar várias concessões para obras relativamente grandes, entenderam que uma
mudança urgente nos processos utilizados era precisa. Depois de alguma pesquisa e de uma
demonstração do fabricante Stäubli chegaram a um acordo que a utilização de robôs para
maquinagem de pedra seria uma boa opção. Actualmente dispõem de três células robóticas
compostas por robôs RX270, contando com o programa MasterCam/Robotmaster como
software [25].Outras vantagens foram atingidas com a menor exposição dos operadores a
resíduos provenientes das operações.
Na Figura 2.20 apresenta-se uma escultura criada na fábrica em questão.
Figura 2.20: Escultura de pedra realizada por Johnsons Wellfield Quarries [25]
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
18
Garner Holt Productions Inc
Empresa fundada e sediada nos Estados Unidos da América desde 1977
(www.garnerholt.com), com o objectivo de criar esculturas e modelos funcionais. Tem uma
vasta gama de clientes, como parques temáticos, museus, hotéis, restaurantes entre outros.
Com a necessidade de criar formas complexas e de grandes dimensões, em espumas, a
utilização de robôs e softwares CAD/CAM tornou o processo de desbaste rápido, preciso e
económico. Actualmente a empresa conta com um robô do fabricante KUKA de seis eixos,
com uma mesa posicionadora e com o software PowerMILL para programar as trajectórias.
Apresenta-se na Figura 2.21 a maquinagem de uma escultura.
Figura 2.21: Robô KUKA a maquinar para Garner Holt Productions [26]
Tromes Design
Empresa australiana fornecedora de trabalhos em resinas, espumas e compósitos
(www.tromesdesign.com). Com clientes no sector aeronáutico, automobilismo, desportos
radicais entre outros, esta empresa adquiriu e desenvolveu tecnologias que permitem obter dos
materiais trabalhados propriedades mecânicas únicas, adquirindo um portefólio vasto de
prémios.
A necessidade de desenvolver todo o processo de desenho, protótipo, molde e peça final em
pouco tempo tornou-se dificultada quando feita pelas técnicas convencionais (manualmente).
A escolha de um robô e software offline permitiu ultrapassar esse problema. Possuem robôs
do fabricante Motoman, usando o programa Rhino 3.0 como software de CAD e o programa
Powermill como interface CAD/CAM. Apresenta-se na Figura 2.22 a utilização de um robô
para maquinagem de uma prancha de surf.
Figura 2.22: Maquinagem de uma prancha de surf [27]
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
19
Neste capítulo são descritas as configurações existentes (célula real) e as criadas virtualmente,
para ser possível a realização de simulações e testes. Os trabalhos foram realizados no
laboratório de robótica do Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de
Engenharia da Universidade de Porto.
3.1. Célula robótica real
A célula robótica existente é constituída pelos seguintes elementos:
Robô
Mesa
Controlador do robô
Motor árvore
Controlador do motor árvore
3.1.1. Robô ABB IRB2400/16
A série IRB 2400 de robôs da ABB representa o robô industrial mais popular no mundo na
sua classe, graças a uma gama completa de aplicações optimizadas. Este tipo de robôs
apresenta uma eficiência elevada na realização de diversas tarefas industriais.
O robô IRB2400/16 (Figura 3.1) possui uma configuração série, dispondo de 6 eixos.
Apresenta uma capacidade de carga de 20 kg e alcance máximo de 1,5m. Visto ser um robô
de estrutura revoluta apresenta uma excelente manobrabilidade, uma elevada velocidade de
operação e um grande volume de trabalho, para uma pequena área de montagem.
Em anexo apresentam-se as características funcionais dos robôs da série IRB 2400. [Anexo
A]
Figura 3.1: Robô ABB IRB2400/16 [28]
3. Configuração da célula robótica
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
20
O robô encontra-se instalado em cima de uma base, permitindo um melhor aproveitamento do
seu volume de trabalho.
O elemento terminal do robô tem acoplado dois dispositivos: célula de carga e sistema de
mudança automática de ferramenta.
3.1.2. Célula de carga ATI IP60
Este transdutor, fornecido pelo construtor do robô como um “conjunto chave na mão” para
aplicação de controlo de força é da marca ATI Industrial Automation. Esta empresa é
dedicada à construção de acessórios para robôs.
O conjunto traz uma célula de carga modelo Delta IP60 (Figura 3.2) capaz de medir seis
componentes de força: três momentos e três forças. Este transdutor é feito de peças de aço
maquinadas tornando-o ideal para uso industrial. Pode trabalhar em ambientes com poeiras
suspensas. O conjunto traz também uma flange de protecção instalada entre o robô e o
transdutor, assim como todo o software e hardware para permitir o controlo da força.
A utilização de robôs a realizar trajectórias com controlo de força é uma aplicação recente.
Tem diversas vantagens em múltiplas áreas, como por exemplo, em aplicações de lixagem de
superfícies não uniformes, conseguindo manter uma força de contacto constante dando o
acabamento pretendido. Em operações de montagem, a sua utilização, é também vantajosa
permitindo “descobrir”, através do varrimento de um conjunto de pontos, qual o encaixe
perfeito dependendo da força lida. Estes transdutores aplicados a robôs têm as desvantagens
associadas a uma tecnologia emergente: custos e dificuldade de integração nos programas e
controladores.
A utilização de células de carga em operações de maquinagem uma vez que a rigidez
intrínseca da célula de carga afecta a precisão de posicionamento da ferramenta transportada
pelo robô.
Figura 3.2: Célula de carga ATI Delta IP60 [29]
Devido à flange de protecção, a movimentação do penúltimo eixo do robô (quinto eixo) está
limitada aos valores [+ 90, – 90] de modo a assegurar que não haja colisão entre esta e o robô.
3.1.3. Mudança de ferramenta SCHUNK SWS-011
Adaptador de funcionamento pneumático da empresa SCHUNK. Este adaptador (Figura 3.3)
permite o accionamento (através de entradas I/O) do sistema de bloqueio, permitindo a
mudança automática da ferramenta. Para tornar a mudança totalmente automática tem um
sistema que passa ar comprimido por dentro dos adaptadores, podendo controlar-se as funções
da ferramenta (abertura ou fecho de garras por exemplo). O modelo existente é recomendado
para cargas até dezasseis quilogramas sendo adequado para o robô em questão.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
21
Em caso de maquinagem de peças que precisem de grandes forças de corte este mecanismo
pode ser um entrave, já que tem limites de binário que não podem ser ultrapassados com o
risco da ferramenta cair.
Na célula robótica existem vários adaptadores para permitir ter várias ferramentas prontas a
utilizar. A informação do módulo é apresentada no anexo B.
Figura 3.3: Adaptador SCHUNK SWS-011 [30]
A influência destes equipamentos em operações de maquinagem é estuda no capítulo 4.
3.1.4. Mesa posicionadora ABB IRBP C500
A utilização de robôs industriais com configurações revolutas traz grandes vantagens em
termos de mobilidade e flexibilidade, devido ao grande volume de trabalho que possuem.
Porém, para peças de maior dimensão, o volume de trabalho do robô pode não ser suficiente,
utilizando-se um ou mais eixos externos para permitir que a peça fique dentro desse volume
quando é trabalhada. Existem dispositivos que permitem orientar a peça (eixos rotativos) ou
mesas lineares que transladam o robô.
A célula robótica usada conta com uma mesa posicionadora de um eixo rotativo do mesmo
fabricante que o robô, com capacidade de carga de meia tonelada e repetibilidade de 0,05
milímetros. Esta mesa, sendo do mesmo fabricante, permite a total integração na célula,
contando com os drivers da mesa inseridos dentro da caixa do controlador do robô. Pode ser,
através de comandos simples, controlada a partir da consola ou softwares offline.
Esta mesa tem uma divisória central, como visível na Figura 3.4, permitindo a descarga em
segurança de um produto numa extremidade enquanto decorrem trabalhos na outra. É também
indicada para operações de soldadura protegendo o operador da radiação resultante do
processo de soldadura.
Na construção deste tipo de mesas e em particular nesta, são utilizados codificadores
incrementais para medição da posição angular. Este tipo de sensores tem a desvantagem de
não poder estar sem alimentação perdendo, caso isso aconteça, a referência de zero. Para
contornar este facto são usadas baterias que, durante a realização deste trabalho, se
encontravam descarregas obrigando à definição do zero da mesa sempre que o robô era
ligado.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
22
Figura 3.4: Mesa posicionadora IRB C 500 [31]
São apresentadas no anexo C as características da mesa presente na célula.
3.1.5. Controlador ABB IRC5
O controlador IRC 5 é o mais actual e completo da marca ABB. É um sistema modular
permitindo que cada utilizador o defina de acordo com a célula existente, podendo adicionar
novos módulos para acomodar novos robôs ou eixos externos.
A utilização do robô pode ser feita em modo automático com velocidade máxima ou reduzida
e modo manual, operando-se no último caso através da consola.
As principais características que este controlador possui incluem:
Consola de programação (FlexPendant): ecrã táctil com joysitck 3D para movimentação do
robô. A interface pode ser definida pelo operador. Comunica com o controlador por
cablagem.
Movimentação rápida (QuickMove): Baseado em modelações dinâmicas precisas consegue
calcular o menor tempo possível para um determinado caminho.
Movimentação realista (TrueMove): Capacidade de atingir os pontos esperados e, de
seguimento de trajectórias.
Movimentação conjunta (MultiMove): Controlo até quatro robôs ou 36 servomotores a partir
de um único controlador, permitindo a sua sincronização e interacção. É possível a criação de
um referencial móvel num robô e a movimentação sobre esse referencial por outro robô.
Apesar de ser um vídeo com pouco interesse prático submete-se o leitor para a sua
visualização pois permite uma melhor compreensão deste tópico.
http://www.youtube.com/watch?v=SOESSCXGhFo
No anexo D são apresentadas as características deste controlador.
3.1.6. Motor árvore Precision Drive Systems (PDS) XLC 070
Motor árvore de corrente alternada destinado à utilização em operações de maquinagem a alta
velocidade. Vem equipado com um sistema automático de mudança de ferramenta.
As suas características são apresentadas na Tabela 3.1 e as dimensões de atravancamento no
anexo E.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
23
Tabela 3.1: Características do motor árvore XLC 070
Alimentação [V] 380
Potência [kW] 2.2
Número de pólos 2
Velocidade máxima [rpm] @ frequência [Hz] 40000 @ 667
Velocidade para o binário máximo [rpm] @ frequência [Hz] 24000 @ 400
Peso [kg] 10
A refrigeração do motor assim como do mecanismo que permite a mudança de ferramenta, é
feita através de ar comprimido à pressão de seis Bar. É também possível a instalação de um
jacto de ar direccionado para a ponta da ferramenta, de modo a permitir o seu arrefecimento.
A aparência do motor usado é apresentada na Figura 3.5, excluindo o tubo de arrefecimento
da ferramenta (azul).
Figura 3.5: Motor XLC-070 [32]
É aconselhado pelo fabricante que este motor, pela sua potência, trabalhe com materiais como
espumas, madeiras pouco duras e plásticos. Na utilização em materiais como alumínio,
madeiras duras e plásticos rígidos é aconselhada uma utilização cuidada. Esta lista de
materiais enquadra-se nos materiais usualmente utilizados em aplicação de maquinagem com
robôs.
Devido à sua utilização em meios industriais traz integrados sensores, com vista a uma
utilização mais segura. Tem quatro sensores de proximidade que detectam se o motor está ou
não a trabalhar, se é possível a mudança de ferramenta, se a mesma se encontra bem inserida e
um de redundância entre duas partes móveis do motor. Conta também com dois sensores de
temperatura, um que muda de estado quando a temperatura do estator ultrapassa os 130ºC e o
segundo, num dos rolamentos. A importância da temperatura nos rolamentos prende-se com a
relação que existe entre esta e o estado de funcionamento do motor. É aconselhável que antes
de arrancar com o processo de maquinagem se faça um aquecimento ao motor até que este
atinja uma dada temperatura nos rolamentos [32]. O controlo deste parâmetro permite uma
maior durabilidade do motor. O sinal do sensor de temperatura presente no rolamento não sai
tratado pelo que tem de ser instalado um conversor de sinal para se obter esses valores.
Sendo um motor especificado para trabalhar a altas velocidades, e como referido no capítulo
anterior, o suporte de ferramentas e as ferramentas têm de estar perfeitamente equilibradas
para que não surjam vibrações indesejáveis. O suporte deve ser do modelo HSK-E-32 que é
um suporte de precisão, regulamentado pelas normas ISO e DIN e capaz de aguentar
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
24
velocidades de rotação de quarenta mil rotações por minuto. Na célula robótica existem três
suportes destes, cabendo ferramentas com dimensões compreendidas entre um e treze
milímetros.
Dentro deste suporte leva uma pinça (Collet) que, por aperto vai esmagar a ferramenta e assim
fazer pressão para que esta não caia. Para diferentes diâmetros interiores correspondem
diferentes pinças. Existe na célula, uma com poder de suporte para ferramentas de 5 a 6
milímetros de diâmetro.
A utilização de ferramentas de corte durante a realização deste trabalho foi substituída por
material de escrita, estando as razões desta escolha relacionadas com segurança. Uma
explicação mais aprofundada encontra-se no tópico Sistemas de segurança.
Foram montadas duas canetas nos suportes das ferramentas. Na primeira adaptou-se um
marcador de cinco milímetros de diâmetro, conseguindo-se um comprimento de noventa e
seis milímetros da ponta deste à face do motor.
A segunda caneta adaptada seguiu a mesma ideia, utilizando-se uma caneta de bico fino
(1mm) com uma mola numa extremidade ficando o comprimento final deste conjunto com
cento e quarenta milímetros.
Na Figura 3.6 são apresentados suportes HSK com as canetas que foram adaptadas.
Figura 3.6: Suportes HSK e canetas adaptadas, 1 e 2 da esquerda para a direita
3.1.7. Controlo do motor árvore: variador de frequência DELTA Electronics
VDF037V43
Em motores de corrente alternada existe uma relação entre a velocidade de rotação do rotor
(nr) em rotações por minuto, a frequência da tensão de alimentação (f) em Hertz e o número
de pares de pólos do motor, dada pela equação 1.
(1)
Para se alterar a velocidade de rotação é preciso alterar o número de pólos do motor ou alterar
a frequência da tensão de alimentação. A maneira mais fácil é a alteração do valor da
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
25
frequência da tensão de alimentação sendo por este motivo normal a utilização de variadores
de frequência para efectuar o controlo da velocidade.
O objectivo do variador é transformar as constantes de entrada, tensão e frequência, em
valores variáveis. O seu princípio de funcionamento pode ser descrito por 3 passos, sendo
eles:
Transformação da tensão alternada de entrada em tensão contínua;
Filtragem da tensão;
Transformação da tensão contínua em tensão alternada variável.
A primeira transformação é feita recorrendo a díodos e a segunda recorrendo a transístores.
Estes (transístores) funcionam de uma maneira bi-estável e, da relação tempo ligado /tempo
desligado (Ton/Toff) surge a frequência desejada e consequentemente a variação da
velocidade do motor [33].
Estes aparelhos são eficientes tendo perdas de apenas 5 a 10% devidas ao efeito térmico
proveniente da comutação dos transístores centenas de vezes por segundo.
O variador usado é recomendado para motores de potência não superior a 3,7 kW aceitando
comunicações através da consola embutida, onde todas as funções estão disponíveis, não
trazendo por isso, nenhum sistema de segurança a não ser o bom senso do utilizador. Permite
ligação cabladas e por comunicação série através de uma porta RS485 podendo ser integrado
numa rede industrial do tipo master-slave [34]. Nestas últimas ligações já se consegue integrar
os sensores do motor de modo a que se crie um sistema à prova de falhas (fail-safe). A
definição de parâmetros é feita através de registos, estando divididos em 12 grupos contendo
cada um várias opções.
3.1.8. Interfaces de ligação motor/robô
Antes de se falar dos passos seguidos para o projecto e criação das interfaces, convém
explicar o porque de ser o robô a transportar a ferramenta. Existem casos (como por exemplo
lixagem ou rebarbagem) em que o robô transporta a peça em vez da ferramenta. O transporte
da peça pelo robô, obrigava a que fossem criadas duas interfaces: uma para fixar o motor à
mesa posicionadora e a segunda que segurasse a peça ao robô. Além de um maior custo, a
segunda interface causaria problemas. A gama de materiais utilizados não permite que sejam
exercidas forças de aperto excessivas, deixando de garantir um bom toleranciamento. Pode-se
ainda dizer que, no software de CAD/CAM utilizado, esta opção aparece apenas de uma
maneira demonstrativa, escolhendo-se pelos motivos referidos utilizar o robô para manipular
a ferramenta.
A ligação do motor ao robô não pôde ser feita directamente uma vez que acoplado ao robô
encontrava-se uma célula de carga e um dispositivo de mudança de ferramenta. Mesmo
admitindo que este (mudança automática) não trazia nenhuma limitação de binário para a
realização da tarefa, a mudança de motor para outro tipo de garra não pode ser feita
automaticamente uma vez que traz sempre associado a participação de um operador, pois
possui cabos de ligação (potência e segurança). A escolha de se deixar ficar este dispositivo
foi feita a pensar na utilização futura do robô em termos didácticos. A alteração de garras fica
assim mais rápida e fácil.
A interface a projectar e construir tem pois que permitir ligar o motor árvore ao dispositivo de
mudança automática.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
26
A utilização de robôs para processos de maquinagem tem sido feita em famílias de produtos
pouco diversificadas (aplicações dedicadas) não se tendo encontrado informação relativa à
orientação que o motor árvore deve ter, em relação ao elemento terminal do robô, para
aplicações genéricas. Nas interfaces a projectar havia uma total liberdade de definição dos
valores de posicionamento e orientação, do motor árvore em relação à flange, a menos das
limitações impostas pela capacidade de carga do robô.
A capacidade de carga de um robô é dada pela conjugação entre o valor do momento máximo
permitido e a distância (braço) ao centro de gravidade do conjunto de acessórios acoplados.
Para um conjunto de acessórios com um determinado peso a alteração da sua posição em
relação à flange do robô provoca uma variação do momento aplicado, reflectindo-se na
capacidade do robô o transportar.
A relação existente entre a distância do centro de gravidade da ferramenta ao elemento
terminal do robô e o seu peso é apresentado na Figura 3.7. No eixo das ordenadas tem-se o
valor segundo z dessa distância e no das abcissas o valor segundo o plano XY. Este gráfico
fornece para vários pesos a área em que o centro de gravidade do conjunto de acessórios
acoplados tem de estar, para ser possível cumprir os valores anunciados de aceleração e
velocidade disponibilizados pelo fabricante do robô.
Figura 3.7: Relação distância ao centro de gravidade da ferramenta e peso [35]
Como seria de se esperar o aumento do peso da ferramenta faz com que o binário máximo
seja atingido para braços mais pequenos. O conjunto a utilizar não ultrapassa os doze
quilogramas pelo que deve ter o seu centro de gravidade dentro da área sombreada.
Ainda dentro deste assunto, é relevante dizer-se que a alteração da distância do centro de
gravidade (por adição de acessórios por exemplo) pode, dependendo das situações, traduzir-se
em vantagens. Na Figura 3.8 apresenta-se um exemplo onde a adição de dispositivos
intermédios se torna vantajosa. Se a limitação dos eixos do robô só permitir o trabalho até à
linha verde a utilização de um conjunto maior (distância ao centro de gravidade) possibilita
um incremento segundo z (ΔZ).
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
27
Figura 3.8: Influência do tamanho da ferramenta na movimentação do robô
A influência da alteração do centro de gravidade está dependente da geometria a trabalhar e
das configurações que, o robô tem, para seguir os caminhos de maquinagem criados.
O projecto das interfaces a construir não visava o trabalho em peças da mesma família, pelo
que se escolheu manter a distância ao centro de gravidade o mais próximo possível da flange
do robô.
A orientação do motor árvore em relação à flange do robô provoca, por vezes, uma alteração
no ponto central da ferramenta. Este ponto é decisivo na capacidade do robô seguir uma
trajectória definida.
A orientação pode ser definida como a rotação aplicada, a cada um dos eixos, de um
referencial cartesiano, tendo-se estudo a influência de cada eixo separadamente.
Rotação segundo xx: na Figura 3.9, está ilustrada a comparação entre um conjunto
interface/motor sem rotação e um onde se aplicou uma rotação segundo o eixo dos xx. De
modo a tornar-se mais claro, o desenho da interface sem rotação, foi feito de maneira a
posicionar o motor a noventa graus face à flange do robô.
Figura 3.9: influência da rotação segundo o eixo dos xx
Da análise de soluções utilizadas nas empresas, verificou-se um certo padrão na utilização dos
valores de noventa graus e de trinta graus para a orientação provocada pela rotação do eixo
dos xx. Optou-se por projectar essas duas soluções.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
28
Rotação segundo yy: na Figura 3.10, está ilustrada a comparação entre um conjunto
interface/motor sem rotação e um onde se aplicou uma rotação segundo o eixo dos yy.
Figura 3.10: influência da rotação segundo o eixo dos yy
A utilização de uma flange na célula de carga condicionou a escolha da orientação provocada
pela rotação do eixo dos yy. Se o motor estiver alinhado com a flange, em caso de colisão
com o robô, a flange protege o motor como se apresenta na Figura 3.11. Esta orientação tem,
também, a vantagem de não provocar mais limitações nas juntas do robô.
A nível construtivo verificou-se que a fabricação da interface ligeiramente (cinco graus)
desalinhada da flange permitia o mesmo nível de protecção e tornava a produção da interface
mais simples.
Figura 3.11: Orientação segundo o eixo dos yy do motor árvore face à flange da célula de carga
Devido à simetria da interface projectada, a orientação do motor árvore, pode tomar os
valores de mais, ou menos, cento e oitenta graus.
Rotação segundo zz: na Figura 3.12, está ilustrada a comparação entre um conjunto
interface/motor sem rotação e um onde se aplicou uma rotação segundo o eixo dos zz.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
29
Figura 3.12: influência da rotação segundo o eixo dos zz
A orientação provocada pela rotação deste eixo altera a posição do ponto central da
ferramenta, mesmo assim, optou-se por utilizar um valor nulo nesta rotação de modo a não
dificultar o projecto das interfaces a criar. A utilização de um valor nulo para esta rotação,
permite também simplificar o processo de análise da influência destas orientações.
O software usado para efectuar todos os desenhos e montagens dos conjuntos foi o Autodesk
Inventor R10. Após os desenhos finais das interfaces [Anexo F e G] decidiu-se que para o
objectivo deste trabalho uma única interface seria suficiente, adaptando-se os desenhos de
peças a construir a essa interface. A escolha recaiu na interface que posiciona o motor
perpendicularmente ao elemento terminal do robô. Na Figura 3.13 está apresentada a interface
criada
Figura 3.13: Interface criada
Como referido, a interface criada permitia a orientação do conjunto de acessórios de duas
maneiras (+/- 180°), tendo-se escolhido montar o motor com a extremidade da ferramenta a
apontar no sentido contrário da flange de protecção. Na Figura 3.14 encontra-se o elemento
terminal do robô com o conjunto de acessórios e ferramenta (caneta) agarrados.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
30
Figura 3.14: elemento terminal do robô completo
3.1.9. Sistemas de segurança
A segurança é o factor comum e de extrema importância em todas as instalações industriais.
A falta dela traz multas elevadas e riscos para operadores e máquinas. Numa célula robótica,
onde se encontram equipamentos em movimentação, tem de existir um perímetro de
segurança que, com redundância, proteja e separe os operadores da célula. Esse perímetro é
usualmente constituído por barreiras físicas do género “jaula” com uma entrada, estando esta
controlada por sensores de movimento. Em caso mais actuais a utilização de vigilância por
laser ou sistemas de visão artificial também é possível.
A nível de segurança a célula robótica existente não tem as barreiras físicas montadas e as
cortinas de luz, embora funcionais, não estão a ser utilizadas para protecção. O acesso a
botões de emergência está disponível na consola de programação e no controlador do robô.
Apresenta-se na Figura 3.15 um exemplo de uma célula robótica segura e na Figura 3.16 a
célula robótica usada.
Figura 3.15: Exemplo de uma célula robótica segura [36]
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
31
Figura 3.16: Célula robótica utilizada
A consola de programação tem um sistema adicional de segurança conhecido por botão do
homem morto. Quando, em modo manual, se pretende accionar a passagem de potência para
os motores é obrigatório exercer uma pressão ligeira sobre esse botão. O funcionamento do
botão está preparado para que em caso de choque eléctrico, associado a uma contracção dos
músculos e a uma maior pressão no mesmo, a emergência seja activada. O mesmo também
acontece se a pressão exercida for menor que a esperada.
O tempo disponível para a realização deste trabalho não permitiu a integração do controlador
do motor árvore através de lógica cablada ou comunicação série. Como estas duas ligações
eram as únicas que permitiam o controlo do motor e a utilização dos sensores presentes no
mesmo, assim como de outros meios de segurança, escolheu-se não utilizar ferramentas
cortantes nos testes realizados. A ligação do motor através da consola do variador e o estado
das barreiras físicas traziam grande perigo para os utilizadores e para os componentes da
célula. A utilização de canetas em vez de ferramentas de corte torna possível a demonstração
e obtenção dos objectivos com um coeficiente de segurança grande.
Ainda assim, na segunda caneta adaptada foi criado um sistema com uma mola que permite
acomodar erros de posicionamento caneta/papel.
3.2. Célula robótica virtual
Sendo o objectivo principal deste trabalho a programação offline de robôs para tarefas de
maquinagem, é indispensável a modelização dos componentes da célula real no meio virtual.
A célula tem de estar definida no software de CAD/CAM escolhido, MasterCam /
Robotmaster. Depois de simulada neste software o programa gerado pode ser transferido
directamente para o controlador do robô. No entanto, escolheu-se utilizar como meio de
verificação o software de programação offline da marca proprietária do robô (robotstudio).
Neste subcapítulo apresentam-se os processos seguidos para conseguir modelizar a célula nos
softwares utilizados. Nestes softwares a definição da caixa do controlador e das grades de
segurança não é importante uma vez que estes não limitam a movimentação do robô não
havendo risco de colisão.
Todo o trabalho foi realizado num computador Intel® Core™2 Duo, modelo E7500
(2.94GHz) com 4 Gigabytes de memória disponível. O sistema operativo instalado é o
Microsoft Windows 7 versão 32bits.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
32
Em nenhum dos softwares utilizados foi limitada a amplitude do penúltimo eixo do robô
(devido à flange), obrigando a uma atenção redobrada na visualização das simulações criadas.
O primeiro passo para a criação dos componentes a acoplar ao robô, em qualquer dos
softwares, é a sua modelação e montagem a nível virtual. A realização deste passo já tinha,
em parte, sido feita aquando do desenho das interfaces robô/motor, para se confirmar se todas
as ligações e orientações estavam correctas. Este aspecto permitiu passar directamente para o
processo de transformar os desenhos em equipamentos que pudessem ser ligados ao robô.
Uma observação importante de ser feita prende-se com o facto de, quando se fez a modelação
dos equipamentos não estarem, ainda, definidas as ferramentas a utilizar. O conhecimento dos
softwares permitiu saber que a adição de geometrias (para testar problemas de colisão) era
acessível (como será explicada mais à frente neste relatório).
Antes da explicação passo a passo do processo de criação é preciso mencionar que o mesmo
foi feito iterativamente. A primeira modelação dos equipamentos ligados ao robô demonstrou
que os mesmos, para um valor de zero nas juntas do robô, não se encontravam numa posição
igual à célula real. A maneira encontrada para descrever este posicionamento passou pela
medição da horizontalidade do motor, com um nível, recorrendo apenas à movimentação da
última junta do robô. A realização dessa experiência mostrou que o motor, para ficar na
horizontal, tinha de ter a sexta junta com vinte e dois graus. Sabendo-se este valor foi possível
recriar os equipamentos virtualmente.
Na célula real foi construída uma de duas interfaces. Em meio virtual, criaram-se as duas
interfaces projectadas com o objectivo de, no capítulo 4, se testar a influência das orientações
no seguimento de determinados caminhos de maquinagem.
Em cada uma das interfaces havia a possibilidade de se montar o motor árvore em duas
posições diferentes, traduzindo-se num total de quatro acessórios a modelar. A nomenclatura
utilizada para distinguir estes acessórios assim como a sua orientação em relação à flange do
robô encontram-se na Tabela 3.2.
Tabela 3.2: Nomenclatura utilizada para os diferentes acessórios utilizados
Nomenclatura utilizada
Rotação segundo o eixo dos xx
[°]
Rotação segundo o eixo dos yy
[°]
90 graus 1 90 0
90 graus 2 90 180
30 graus 1 30 0
30 graus 2 30 180
3.2.1. Modelação em Mastercam/Robotmaster
A utilização da versão mais actual de um programa ainda em grande fase de desenvolvimento,
potencia sempre melhores ferramentas de trabalho e menores problemas. Neste software, o
espaço temporal de realização deste trabalho coincidiu com uma época de renovação. Na data
de início a versão mais actual era a X4, sabendo-se que a versão seguinte sairia em poucos
meses. Assim aconteceu e dias antes da entrega deste relatório foi instalada a versão mais
actual do software, a X5. Como se começou com a realização de simulações e testes na versão
X4 escolheu-se utilizar esta versão até ao fim e tirar, sobre ela, algumas conclusões. É de
referir que com a nova versão já no mercado alguns dos erros encontrados possam
provavelmente já não existir.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
33
A definição dos acessórios neste software, teve como base de partida os desenhos de conjunto
em formato “.iam” (Autodesk Inventor Assembly) e no formato neutro “.Sat”. Como referido
a posição do motor face ao elemento terminal do robô pode ter dois sentidos em cada
interface criada. Foram por isso modelados quatro acessórios relativos às quatro possíveis
combinações, seguindo-se sempre o mesmo processo de construção.
Da pesquisa efectuada descobriu-se que a criação de acessórios para ligar ao robô, neste
software, podia ser realizada de duas formas diferentes:
A primeira maneira foi encontrada numa página Web da Universidade de Harvard
(www.harvard.edu) que remetia para um ficheiro em Word em forma de tutorial, datado do
ano de 2008. A segunda, fornecida pelo revendedor deste software, continha uma expansão
para o Robotmaster de nome End Effector Tool e um tutorial datado do ano 2010.
Explica-se de uma forma simplificada o processo de criação para cada um dos métodos:
A forma de funcionamento do primeiro método passa pela edição dos ficheiros de dados dos
acessórios pré-definidos no Robotmaster. A definição de um acessório é composta por dois
ficheiros: um referente à geometria do acessório no formato neutro STL e um referente às
configurações do acessório que inclui a localização e orientação do ponto central da
ferramenta (Tool Center Point). Estas informações são gravadas num ficheiro XML. A
utilização deste método tem a vantagem de ser mais simples, perdendo essa vantagem se a
edição de ficheiros XML for um assunto pouco dominado. Requer também o cálculo prévio
da orientação e posição do ponto central da ferramenta o que por vezes pode tornar-se
complicado.
O segundo método requer a instalação de uma aplicação para o Robotmaster. Este programa
adiciona um novo menu à janela principal do Mastercam que permite a criação do acessório.
Os passos precisos para poder criar um acessório correctamente segundo este método são:
Atribuição de nomes aos diferentes constituintes do ficheiro importado;
Posicionamento da base do acessório no ponto zero do referencial com a orientação
desejada;
Criação de um segmento de recta com a orientação desejada para o eixo z do
referencial do ponto central da ferramenta (normal à superfície da ferramenta);
Depois destes passos o acesso ao menu pode ser feito. Dentro do menu é tirada
automaticamente uma fotografia que irá aparecer na tabela de selecção de acessórios para
ligar ao robô. No último passo é escolhida a maneira desejada para a definição dos
referenciais da ponta da ferramenta, existindo três possibilidades:
2 Pontos: definição do eixo z, normal à superfície;
3 Pontos: definição do eixo z e do eixo x. Esta maneira obriga à criação de um
segmento para o eixo z e, partindo da mesma origem, de um para o eixo x;
Valores do robô: utilizado no caso de já se conhecerem os valores presentes na célula
real. É preciso definir o posicionamento e orientação do referencial.
Na utilização de dois pontos, o software automaticamente dispõe os restantes eixos.
Ao criar-se acessórios segundo o método de dois e de três pontos notou-se que a diferença
obtida era a rotação do plano xy segundo o eixo dos zz. Quando se fixa a orientação do eixo
dos xx a orientação do eixo dos yy é conhecida pela regra da mão direita. No caso da
disposição automática do software o eixo trancado é dos yy ficando por isso rodado segundo z
em relação ao outro método.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
34
Os quatro acessórios foram criados segundo o método de dois pontos, estando apresentados
na Figura 3.17. Optou-se por criar numa das geometrias um quinto acessório usando o método
dos três pontos, para ser possível testar se a rotação dos eixos interfere ou não, na realização
dos percursos de maquinagem. O quinto acessório é igual ao 90 graus 1, mudando apenas a
orientação do referencial do ponto central da ferramenta, pelo que não é referido na Figura
3.17.
Figura 3.17: Acessórios criados no software Robotmaster
Depois de criados, os acessórios ficavam disponíveis na janela de simulação ligados ao robô
com a posição correcta.
A modelação da mesa posicionadora no ambiente do Mastercam/Robotmaster apenas tem
interesse para a determinação de eventuais colisões com o robô, uma vez que a mesa não será
utilizada activamente. Como o software não possui na sua biblioteca mesas do fabricante
ABB, optou-se por identificar na célula real qual o posicionamento do plano da mesa e
posicionar as peças a simular sempre acima desse plano.
3.2.2. Modelação em Robotstudio
Como referido, o uso deste software não era necessário. A sua utilização permite no entanto a
confirmação dos traçados gerados pelo Robotmaster não adicionando custos ao conjunto de
programação offline, uma vez que é concedida uma licença de utilização gratuita.
A utilização deste software como confirmação e não o inverso deve-se ao facto deste conter
uma modelação perfeita do controlador utilizado na célula real, garantindo que os traçados
que corressem neste software correriam no robô, salvo erros de modelação da célula.
Ao contrário do que acontece no software Mastercam/Robotmaster, a importação dos modelos
tem de ser feita através de um formato neutro (.SAT) não sendo permitida a importação
directa de conjuntos (.IAM) do software de CAD usado.
A actualização deste software (Robotstudio) acontece frequentemente, estando a caminhar a
interface com o utilizador para a configuração utilizada nos programas do Microsoft Office.
Na realização deste trabalho foram usadas as versões 5.13 e 5.14 havendo compatibilidade
entre elas.
Este software tem de raiz uma aplicação que permite a criação de acessórios ou mecanismos
(eixos externos) possibilitando uma melhor e mais fácil transição da célula real para a virtual.
Os passos seguidos para a construção dos 4 acessórios foram:
Posicionamento da base do acessório no ponto zero do referencial com a orientação
desejada;
Criação de um referencial com a orientação desejada para o ponto central da
ferramenta.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
35
A utilização desta aplicação é de rápida compreensão, tendo apenas de se seguir os passos
indicados e o acessório fica automaticamente construído. Ao contrário do que acontece no
software Robotmaster, é preciso guardar o acessório na biblioteca de ferramentas para passar
a ser sempre possível a sua utilização.
Uma vez que não existe um processo automático de orientar os eixos do referencial do ponto
central da ferramenta, neste software escolheu-se alinhar o eixo dos xx ficando o eixo dos yy
definido pela ortogonalidade entre eles. A não criação de outro conjunto de acessórios com os
referenciais rodados deveu-se ao facto de ser mais fácil realizar simulações no software
Robotmaster deixando para esse, o estudo da influência dos referenciais. Apresenta-se na
Figura 3.18 os quatro acessórios criados neste software.
Figura 3.18: Acessórios criados no software Robotstudio
Uma diferença grande notada entre softwares é o nível de detalhe necessário à caracterização
dos acessórios. Durante o processo de criação de acessórios, neste software é pedida a
informação do peso, centro de gravidade e momentos de inércia, o que não acontecia no
Robotmaster.
A utilização da mesa posicionadora assim com dos elementos de segurança neste software é
facilitada, uma vez que sendo da marca proprietária, os disponibiliza na biblioteca.
Apresenta-se na Figura 3.19 a célula robótica criada. Também neste software a
implementação das grades de segurança e do armário do controlador não é obrigatório uma
vez que não há risco de colisão entre o robô e esses componentes.
Figura 3.19: Célula robótica criada no software Robotstudio
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
36
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
37
Com a célula robótica real definida no meio virtual iniciaram-se as simulações (testes
virtuais), tendo em mente dois objectivos distintos. Testar a influência que a orientação dos
acessórios e a posição do referencial da peça têm, na capacidade do robô seguir os caminhos
de maquinagem e simular casos práticos, que pudessem ser recriados na célula robótica
existente. Neste capítulo descrevem-se os estudos realizados para melhor compreender os
factores que influenciam a capacidade do robô, deixando para o capítulo 5 as simulações dos
testes práticos.
Para o efeito do estudo, decidiu-se considerar uma peça com geometria regular, tendo nas
suas faces definidos traçados de maquinagem. O teste consiste na verificação da capacidade
do robô em atingir todos os pontos dos percursos definidos alterando-se tanto a posição da
peça como o acessório acoplado ao robô.
A escolha de uma geometria fixa, para a realização destes testes, deveu-se ao facto de ser
impossível, no âmbito deste trabalho, fazer o estudo para várias geometrias. Na Figura 4.1
está ilustrada a realização de um teste. Como é possível ver, a adição de incrementos em cada
eixo já torna o teste muito extenso, impossibilitando assim, o estudo de mais geometrias.
Figura 4.1: Trabalho na face frontal e de retaguarda vs posição da peça.
A peça escolhida para a realização destes testes foi um cubo com trezentos milímetros de
aresta, onde quatro das seis faces tinham caminhos de maquinagem. A escolha de apenas
quatro faces deve-se com o facto de, pelo menos, uma delas ser utilizada para fixação.
A segunda face não considerada ilustra a dificuldade que, normalmente, existe em maquinar
duas faces opostas. Pensando numa peça relativamente grande em comparação com o robô
percebe-se que para maquinar a face frontal é preciso posicioná-la de maneira a que o robô
tenha espaço de se movimentar sem haver colisões. Nesse mesmo posicionamento a
maquinagem da face oposta é impossível porque já fica fora do volume de trabalho do robô. O
4. Análise de factores que influenciam a capacidade do robô seguir um trajecto de maquinagem
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
38
mesmo acontece com as faces laterais, numa peça grande ou com geometrias complexas. Para
se maquinar uma das laterais é preciso posicionar a peça deslocada do centro do robô, não
tendo depois capacidade de maquinar a face mais afastada. Existem casos em que a
maquinagem das várias faces é possível mas, tem se conseguir ter um posicionamento que o
permita, ou ter uma peça de dimensões reduzidas em comparação com o volume de trabalho
do robô.
Na Figura 4.2 está um caso em que a maquinagem na face posterior é impossível porque há
colisão do motor com o robô. Neste posicionamento facilmente se trabalha a face oposta.
Figura 4.2: Colisão devido ao posicionamento
Apresentam-se na Figura 4.3 as faces escolhidas, na ordem pela qual se realizaram os testes, e
o posicionamento e orientação do referencial da peça.
Figura 4.3: Faces escolhidas para a realização de testes
Para a realização deste teste considerou-se que a utilização de um produto não simétrico, em
relação aos traçados de maquinagem de cada face, tem vantagens porque permite conjugar os
vários movimentos de interpolação do robô e permite que o tratamento feito a esses traçados
no software CAD/CAM seja reutilizado nos testes reais. As geometrias foram desenhadas no
software de CAD Autodesk Inventor sendo editadas dentro do Mastercam/Robotmaster.
Apresenta-se na Figura 4.4 o desenho das geometrias a maquinar (zonas a castanho) e as
respectivas faces onde se encontram.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
39
Figura 4.4: Geometrias criadas e respectivas faces
A técnica de maquinagem escolhida foi a de desbaste de espaços fechados (Pocket) simulando
a realidade e passando numa quantidade superior de pontos do que utilizando a opção de
acabamento. As opções escolhidas para a entrada da ferramenta na peça, número de passagens
de desbaste e de acabamento não são analisadas neste capítulo, deixando-se essa análise para
o capítulo 5. Apresenta-se na Figura 4.5 os traçados criados dentro das geometrias. As linhas
amarelas dizem respeito aos movimentos de aproximação.
Figura 4.5: Trajectórias criadas nas geometrias
Para os ciclos de maquinagem serem mais curtos os pós-processadores usam a movimentação
de junta durante a aproximação à peça, trazendo por vezes colisões entre o robô e a peça. Este
problema é facilmente contornado com a criação de pontos externos (analisados no capítulo 5)
garantindo que o robô, desse ponto até à zona de aproximação, não colide com a peça.
Como neste teste o uso de acessórios não é fixo, a criação desses pontos teria de ser feita para
todos eles, aumentando significativamente o tempo de realização. Como estes pontos não são
o objectivo deste teste foram eliminados analisando-se só a capacidade do robô, com certo
acessório, conseguir ou não realizar o traçado de maquinagem criado.
A obtenção de uma configuração válida para o seguimento de uma certa trajectória por parte
do robô segue um conjunto de passos, muitas vezes iterativos. Esses passos não são mais que
uma reorientação da ferramenta, recorrendo ao último eixo do robô que, nestes tipos de
softwares, funciona como um eixo redundante.
O primeiro passo a realizar é a escolha da configuração que a ferramenta deve tomar, estando
esta escolha associada ao tipo de maquinagem a fazer. O seguimento de um contorno traz
diferentes necessidades de rotação da ferramenta comparada com a maquinagem de uma face
plana (dois eixos e meio) e o mesmo acontece para maquinagens mais complexas (cinco
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
40
eixos). Para permitir que o software funcione com sucesso existem opções que cobrem os três
casos atrás descritos. Devido à limitação que o robô tem de, em movimentos consecutivos,
rodar mais de 90 graus, é possível na janela de selecção alterar a rotação da ferramenta,
permitindo esta alteração que se passe, em alguns casos, de uma situação de impedimento por
limite das juntas para o sucesso.
O segundo passo faz uso de uma janela gráfica que permite ao utilizador ver se o caminho vai
ou não ter sucesso. Esta janela pode ser um substituto à simulação uma vez que permite
detectar possíveis colisões, limites de juntas, pontos de singularidade, pontos em que o
alcance do robô não é suficiente entre outros. Porém a principal vantagem desta janela é
permitir alterar de uma forma simples a trajectória e contornar assim alguns pontos não
desejados.
Com os traçados e configurações do robô definidas foram realizadas as simulações.
Para testar a influência do posicionamento e orientação do referencial peça em relação ao
robô, escolheram-se realizar três testes, apresentando-se na Tabela 4.1 os valores utilizados
para o referencial da peça.
Tabela 4.1: Posicionamento e orientação do referencial da peça
Número do teste
Posição [mm] Orientação [°]
X Y Z Rx Ry Rz
1 850 -150 1050 0 0 0
2 950 150 900 0 0 0
3 950 150 900 0 0 30
Este estudo podia ser feito com um acessório mas, uma vez que se queria testar todos os
acessórios projectados, optou-se por realizar para cada acessório três testes (um teste em cada
referencial).
Como os resultados obtidos para os três referenciais foram iguais, compilou-se a informação
obtida, estando apresentada na Tabela 4.2. Quando a célula da tabela se encontra com o
símbolo de correcto significa que o conjunto robô/acessório conseguiu realizar o caminho
respectivo.
Tabela 4.2: Resultados dos testes de orientação
Acessório Face 1 Face 2 Face 3 Face 4
30 graus 1 Colisão robô/peça Colisão robô/peça Colisão robô/peça Colisão robô/peça
30 graus 2
90 graus 1 (Z)
90 graus 1(X,Z)
90 graus 2
Embora se tenham obtido os mesmos resultados para cada teste, a sua execução não era
exactamente igual. As diferenças encontradas são relativas à maior ou menor necessidade de
ajustar a rotação da ferramenta e da proximidade a pontos impeditivos.
O acessório 30 graus 1 não permite que o traçado se realize porque o referencial centro da
ferramenta fica muito próximo de um elo do robô o que faz com que haja colisão entre o robô
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
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e a peça. Este acessório não provoca limitações a nível dinâmico, tendo-se conseguido
simulações sem colisão com o uso de ferramentas mais compridas.
Nos acessórios 90 graus o sentido da ferramenta pode ser atingido com o mesmo acessório
fazendo rodar o elemento terminal cento e oitenta graus, explicando a razão dos mesmos
resultados nos testes realizados. Embora neste teste não aconteça, esta situação, pode ser
impeditiva num caso em que essa rotação, somada à rotação necessária para maquinar, atinja
os limites da junta.
A comparação dos dois acessórios de 90 graus 1 com definições diferentes do referencial de
centro da ferramenta causou diferentes configurações no robô para a face três, como se pode
ver na Figura 4.6. Se em vez de considerar um sistema sem restrições, fosse usada a célula
existente (limitada no penúltimo eixo) não era exequível o traçado utilizando a ferramenta
definida por um referencial.
Figura 4.6: Influência da definição de um ou dois referenciais
Os resultados destes testes mostraram que para uma peça relativamente pequena ou com faces
dentro do volume de trabalho do robô a utilização de diferentes interfaces é garantida pela
capacidade do robô atingir o mesmo ponto de diferentes maneiras.
É interessante revelar que a nova versão do software Mastercam/Robotmaster (X5) tem uma
aplicação que permite de uma forma gráfica bastante intuitiva estudar diferentes soluções de
posicionamento relativo peça/robô. Na Figura 4.7 apresenta-se um exemplo da utilização
dessa janela, podendo ver-se a laranja a peça, no lado direito estão acessíveis menus que
permitem alterar o posicionamento e ver se os caminhos definidos são exequíveis.
Figura 4.7: Janela de posicionamento do Robotmaster X5
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Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
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Com o estudo sobre a influência das orientações das interfaces e posição do referencial peça
feito e conclusões obtidas, neste capítulo expõem-se as simulações feitas, como passo
intermédio, antes de passar para a aplicação na célula existente. Devido às limitações da
célula, o conjunto utilizado, em todos os testes descritos a partir deste ponto, é 90 graus 1,
sendo o referencial do ponto central da ferramenta definido com o eixo z e x.
Estas simulações serviram de base à realização dos testes reais, havendo uma interacção dos
dois, com o objectivo de se melhorar o resultado final. A realização de uma simulação era
seguida da aplicação na célula real onde, caso surgissem erros, era corrigida e o ciclo
começava de novo. De modo a tornar este texto mais estruturado apresentam-se apenas as
simulações finais, mencionando, se importante, a causa e resolução dos erros.
Dentro dos subcapítulos seguintes expõem-se as simulações realizadas e algumas explicações
dos parâmetros escolhidos. É de referir que por motivos de segurança não se utilizou uma
ferramenta de corte nos testes reais, fazendo com que a definição de muitos dos parâmetros de
maquinagem não seja relevante ou que a sua alteração não se traduza numa mudança dos
resultados práticos.
5.1. Teste 1
Como referido, a utilização de um cubo com um número grande de traçados de maquinagem
na realização do capítulo anterior tinha como objectivo o aproveitamento do mesmo para estas
simulações. O cubo usado tinha as arestas com trezentos milímetros de comprimento e estava
posicionado segundo os valores apresentados na Tabela 5.1.
Tabela 5.1: Posição e orientação da peça no primeiro teste
Posição [mm] Orientação [°]
X Y Z Rx Ry Rz
850 -150 1050 0 0 0
Neste primeiro teste, e pelo número de pontos que originava ao pós processar, escolheu-se
fazer apenas uma operação de desbaste deixando-se outras operações para testes posteriores.
Devido ao desenho da peça e geometrias a trabalhar as operações de maquinagem são
exequíveis com dois eixos sincronizado, ou seja, para realizar estas geometrias a ferramenta
trabalha num único plano, criando a profundidade com um movimento entre passagens
segundo z. Aliando este facto à geometria das faces, a escolha da operação de desbaste para
geometrias fechadas (Figura 5.1) pareceu acertada, tendo sido realizada para todas as faces.
5. Testes na célula virtual
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44
Figura 5.1: Exemplo de operação de maquinagem de espaços fechados
Antes de analisar os resultados da simulação apresentam-se alguns dos parâmetros escolhidos,
e a sua explicação para esta operação.
Entrada na peça (Entry motion): Dependendo do tipo de fresa utilizada este parâmetro pode
ser modificado, existindo três opções: hélice, rampa ou sem entrada. Apresenta-se um
exemplo destas três opções na Figura 5.2. Na realização do primeiro teste utilizou-se a entrada
em hélice.
Figura 5.2: Parâmetros de entrada
Maneira de desbaste (Roughing): a alteração deste parâmetro proporciona resultados de
acabamento e tempo de ciclo diferentes, consoante o material a trabalhar e a ferramenta
escolhida. No caso de estudo, a alteração apenas mostrava diferentes maneiras de criar o
caminho. Escolheu-se para esta primeira simulação a criação de um traçado linear de acordo
com a geometria (Zigzag). Apresenta-se na Figura 5.3 esse traçado aplicado na face 1.
Figura 5.3: Caminho de desbaste linear
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45
Sendo uma operação de desbaste, a geometria final não corresponde às dimensões do desenho
original. Esta operação serve para fazer uma ”limpeza” do material excessivo antes de se fazer
uma passagem final, não levando a ferramenta até aos limites da peça. A diferença que fica
entre a face a trabalhar e a pretendida é igual ao diâmetro da ferramenta escolhida. O terceiro
teste realizado focou esse assunto, deixando-se para esse tópico uma explicação mais
detalhada.
Parâmetros de ligação (linking parameters): Estes parâmetros regulam as distâncias de
segurança que se quer ter na aproximação rápida, na mudança de traçado, a altura a que o
bloco se encontra e a profundidade. Para melhor compreensão apresenta-se na Figura 5.4 um
esquema com as distâncias possíveis de escolha. Dentro do parâmetro profundidade é possível
escolher passagens de remoção por camadas, em casos em que a geometria ultrapasse a altura
de material que a fresa consegue retirar. Na realização destes testes, como a reprodução ia ser
feita sem possibilidade de criar profundidade, escolheu-se um valor unitário para esse
parâmetro evitando assim que a ferramenta exercesse uma força excessiva sobre a superfície.
Figura 5.4: Parâmetros de ligação
Os parâmetros expostos podem conter valores absolutos, medidos a partir do ponto de origem,
ou incrementais sendo medidos desde a posição do último ponto.
Velocidade de avanço: Existe a possibilidade de ter a velocidade definida pela operação ou
manualmente (dentro da gama de velocidades do robô). A primeira simulação foi feita com
velocidades definidas pela operação mostrando-se bastante lenta. Usam-se nas simulações
seguintes uma velocidade definida manualmente de 80 m/s.
Na primeira simulação feita observou-se que a movimentação rápida do robô até ao ponto de
aproximação/retiro era feita em interpolações de junta provocando uma colisão entre o
conjunto robô/ferramenta e a peça. Para contornar estes problemas o software Robotmaster
permite a criação de pontos de aproximação, permitindo que a movimentação seja livre de
colisões.
Pontos de aproximação/retiro: A criação destes pontos segue um caminho não muito usual,
trazendo algumas dificuldades no início da sua utilização. Normalmente, para criar pontos, a
informação fornecida é relacionada com a posição e orientação desejada, sendo internamente
calculados (por cinemática inversa) os valores das juntas. Neste software a criação de pontos
segue o inverso do “normal” sendo preciso fornecer os valores das juntas. A utilização da
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46
funcionalidade da simulação, visualização e alteração dos valores das juntas, foi usada para
contornar a dificuldade de saber para que valores de junta o robô se encontra no ponto
desejado.
A criação destes pontos variava de dificuldade conforme as faces, na face um e dois a rotação
do primeiro eixo foi suficiente para se obter uma simulação sem colisões. Já para a face três
foram utilizados os valores das juntas para o ponto de aproximação e depois alterados
segundo a junta um. Na face quatro não foi preciso o uso destes pontos.
Depois da simulação correcta foram pós-processados os ficheiros relativos às 4 faces, com o
marcador (ferramenta adaptada um) como substituto à ferramenta de corte, surgindo algumas
informações que são de salientar.
A criação dos ficheiros é feita com a extensão “.Mod”, que é aberta no Rapid (linguagem de
programação do robô) como um módulo. O nome deste módulo é definido pelo nome dado ao
ficheiro de comando numérico seguido do nome “main”. Como não é possível gravar-se um
ficheiro sem nome, existe a necessidade de criar um programa em Rapid de nome “Main”.
O pós-processador do Robotmaster apenas permite que cada módulo contenha dois mil
pontos, sendo este limite facilmente atingido. O pós-processador cria, nesses casos, vários
módulos sendo um deles o principal servindo de plataforma para chamar os restantes, um de
cada vez. O directório é pré definido pelo Robotmaster como “home:”, tendo ficado a dúvida
da possibilidade de o alterar dentro do software, assim como alterar o limite de pontos por
cada módulo. Estas dúvidas foram postas ao revendedor deste programa, por meio escrito,
tendo-se recebido a informação da sua correcção na nova versão do software.
Dentro do Robotstudio a simulação pode ser feita sem visualização dos pontos criados,
correndo relativamente rápido. A actualização dos pontos criados para a janela de
visualização demonstrou-se incomportável de realizar, no computador utilizado, devido ao
número de pontos de cada programa.
A primeira simulação feita em Robotstudio foi parada nos pontos de aproximação, acusando
um erro de limite da terceira junta. Depois do estudo deste erro concluiu-se que dentro do
Robotstudio as juntas são limitadas dinamicamente, ou seja, os limites da junta três
dependiam da posição da junta dois, tendo sido confirmado este resultado no robô. Na Figura
5.5 estão apresentadas as limitações existentes entre as juntas dois e três, sendo a razão das
limitações a colisão entre os elos do robô.
Figura 5.5: Limitação das juntas dois e três
No Robotmaster esta limitação não existe, sendo possível variar o valor de cada junta na sua
amplitude máxima independente da posição da junta a montante. Na Figura 5.6 está
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47
apresentada a simulação do robô para um ponto em que a junta três ultrapassa o limite
estabelecido. Vê-se também que para essa posição já existe uma colisão, não assinalada, entre
os elos do robô.
Figura 5.6: Falta de limitação no Robotmaster
A não limitação das juntas neste software, e pelos problemas que pode causar na célula, foi
alvo de um pedido de explicação/resolução ao revendedor do software, tendo sido confirmado
pelo revendedor que este problema ainda não está resolvido.
Este erro obrigou a que fossem refeitos os pontos de ligação e tomada mais atenção para
possíveis colisões nos elos referidos.
Foi ainda identificado o problema referente à definição da informação dos acessórios. Para a
compreensão deste tema apresenta-se na equação número dois a disposição, segundo a
linguagem Rapid, da informação relativa aos acessórios, explicando-se posteriormente o seu
significado.
(2)
Nome: designação dada ao acessório;
Falso/Verdadeiro: Estado do acessório em relação ao robô, agarrada ou solta;
[x,y,z]: Posição do ponto central da ferramenta (TCP);
[q1,q2,q3,q4]: Orientação em versores (quaternions) da ponta central da ferramenta;
[Peso]: Massa do conjunto de acessórios agarrados ao robô;
[x,y,z]: Posição do centro de gravidade do conjunto agarrado ao robô;
[q1,q2,q3,q4]: Momento de inércia do conjunto agarrado ao robô em versores.
Dentro do software Robotstudio comparou-se a informação relativa às ferramentas dos dois
softwares concluindo-se que os valores de massa, centro de gravidade e momentos de inércia
são constantes e pré-definidos na informação vinda do Robotmaster. Estes dados foram
transmitidos ao revendedor do software para saber se é possível a sua alteração, tendo-se
recebido a informação que a versão X5 já permite a sua alteração. No anexo H encontra-se o
correio electrónico enviado ao revendedor assim como a resposta recebida.
Os valores pré definidos pelo Robotmaster são apresentados na Tabela 5.2.
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48
Tabela 5.2: Valores pré definidos pelo Robotmaster para os acessórios criados
Peso [kg] Centro de gravidade [mm] Momentos de inércia [Kgm2]
20
X Y Z Mx My Mz
0 0 220 0 0 0
O aparecimento destes erros provou que a utilização do software Robotstudio como
intermédio de passagem software/robô foi uma escolha acertada.
Depois de entendidos e corrigidos os problemas atrás definidos correu-se uma simulação das
quatro faces, livre de colisões permitindo a passagem para a célula real.
5.2. Teste 2
Tendo sido realizado depois da implementação do primeiro, este teste serviu para se realizar o
ajuste de alguns parâmetros de maquinagem.
A geometria usada foi a mesma do primeiro teste, sofrendo um redimensionamento (para
poder ser executável na célula real). Para esta alteração usou-se o comando escala (Scale) do
Mastercam aprendendo-se assim algumas das funcionalidade de CAD deste software. Foi
feita a alteração do marcador para a caneta, tendo de se modificar os comprimentos da
ferramenta para que o referencial do ponto central da ferramenta fosse o correcto.
Os ajustes realizados foram:
Entrada na peça (Entry Motion): De hélice para livre, a não utilização de fresas de corte
tornava possível a entrada directa na peça.
Correcção de colisões: Apesar de nas simulações da peça anterior não terem sido assinaladas
colisões, o mesmo não aconteceu durante a realização prática. Realizou-se um estudo sobre os
mecanismos de colisão concluindo-se que são possíveis três diferentes grupos, robô/peça,
robô/acessórios e acessórios/peça. Nestes casos quando se menciona acessórios está-se a falar
do conjunto total agarrado ao robô (acessórios e ferramenta).
No software Robotmaster verificou-se que os parâmetros de colisão pré-definidos não
incluem o grupo robô/acessórios e tinham uma falha no grupo acessórios/peça.
A falha encontrada dá-se quando a ferramenta atinge a peça, sem que os acessórios o façam.
Este erro faz com que seja possível a ferramenta cortar a peça em mudanças de face ou
movimentos de aproximação.
Aquando da modelação dos acessórios não se tinha definido qual a ferramenta a utilizar pelo
que podia ser este o motivo da falha mas, este software permite a rápida alteração dos
parâmetros da ferramenta (comprimentos e diâmetros) como se pode ver na Figura 5.7, lado
esquerdo. Nesta figura apresenta-se também a geometria criada automaticamente na janela de
simulação, comprovando que a falha era interna. Do estudo desta falha concluiu-se que existe
a possibilidade de alterar os grupos de colisão, tendo-se corrigido este erro.
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49
Figura 5.7: Alteração de parâmetros da fresa e sua imagem na simulação
Dentro do software Robotstudio a criação de grupos de colisão é feita através de um menu
bastante compreensível trazendo a desvantagem de se ter de modelar a geometria da fresa
utilizada.
A criação de um grupo de colisão entre o robô e os dispositivos era possível, obtendo-se o
mesmo resultado nos dois softwares. Nenhum conseguia diferenciar o facto de os acessórios
estarem fisicamente ligados ao robô, assinalando sempre uma colisão.
5.3. Teste 3
Com a realização de dois testes semelhantes sentiu-se a necessidade de compreender a razão
de algumas das linhas dos traçados criados, assim como testar uma técnica de acabamento. A
escolha deste teste seguiu um pensamento diferente dos anteriores. Enquanto nos primeiros se
queria um traçado completo para demonstrar as capacidades do robô de seguir trajectórias
neste, o objectivo era ser um teste pequeno em que pudesse ser analisada a influência da
modificação de valores dentro de certos parâmetros.
A geometria para esta simulação era um rectângulo com dimensões de oitenta e cinco por
cinquenta milímetros, estando posicionado nos valores apresentados na Tabela 5.3.
Tabela 5.3: Posição e orientação da peça no terceiro teste
Posição [mm] Orientação [°]
X Y Z Rx Ry Rz
1070 0 400 0 0 0
Embora não provocasse alteração nos resultados finais, escolheu-se trocar a maneira de
definir o desbaste, utilizando-se um em espiral (Morph Spiral), onde os valores para o traçado
são interpolados entre o valor das paredes e o espaço por maquinar. Mesmo sendo uma
técnica de desbaste é possível escolher-se o número de passagens finais criando uma primeira
passagem de acabamento. Decidiu-se fazer duas simulações, uma com dois passes de
acabamento e a segunda com quatro passes para comparar as diferenças obtidas.
A terceira simulação desta geometria foi feita com uma técnica de acabamento, usando-se o
contorno. Assim como nas técnicas de desbaste são permitidos passes de acabamento, o
inverso também acontece, tendo-se optado por fazer uma passagem de desbaste seguida de
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50
duas de acabamento (Figura 5.8). A alteração do número de passes é feita dentro do menu
contorno, tornando o ciclo iterativo, em aplicações com ferramentas de corte, rápido.
Figura 5.8: Seguimento de um contorno com passes de desbaste e de acabamento
5.4. Teste 4
Uma das vantagens e motivos da compra de um software deste nível era a possibilidade de
criar trajectórias de maquinagem que utilizassem mais de dois eixos sincronizados. A
aplicação deste aspecto ao presente trabalho, tornou-se difícil pelo facto do robô ter de seguir
e desenhar numa geometria e não criá-la. A geometria escolhida foi uma tomada trifásica
porque apresentando uma curvatura, obrigava o robô a interagir em dois planos como o
desejado.
Antes de se descrever o teste, convém referir que a passagem de superfícies de softwares de
CAD para softwares de CAM é um assunto complexo. A mesma superfície definida por dois
softwares diferentes pode traduzir-se em caminhos diferentes. Na Figura 5.9 vê-se os
caminhos criados para a mesma peça, mas partindo de modelações diferentes. A geometria do
lado esquerdo ficou mal definida fazendo com que os caminhos de maquinagem fossem feitos
para superfícies isoladas e não para uma superfície continua (parte direita da Figura).
Figura 5.9: Resultados do software CAM de acordo com a modelação [3]
A modelação desta geometria foi feita no software Autodesk inventor tendo-se criado uma
ranhura para o robô seguir com as dimensões em milímetros apresentadas na Figura 5.10.
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51
Figura 5.10: Tomada e ranhura
A passagem para o Mastercam foi feita directamente (ficheiro.itp) tendo-se sentido
dificuldades na selecção das faces, ou seja, ao seleccionar uma das faces, o programa não a
conseguia distinguir, seleccionando a peça toda. Tentou-se também passar em formato neutro
“.sat” acontecendo o mesmo problema. Para não ter de refazer a peça neste software escolheu-
se uma técnica de maquinagem que não precisava da informação da superfície para criar o
caminho. A escolha recaiu sobre uma curva controlada por cinco eixos, tendo de se definir
quais as linhas que orientam a ferramenta.
Como a peça tinha sido feita por revolução não existiam linhas na ranhura, usando-se a parte
de CAD do software para criar linhas de fluxo (flowline curve) nessa área. O resultado da
criação destas linhas é apresentado na Figura 5.11.
Figura 5.11: Comparação do ficheiro original com o editado
Depois da edição da peça foi possível realizar uma simulação com sucesso, estando a posição
da peça definida na Tabela 5.4. A orientação da peça fazia com que a face estivesse oposta à
frente do robô. O traçado criado está apresentado na Figura 5.12.
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52
Tabela 5.4: Posição e orientação da peça no quarto teste
Posição [mm] Orientação [°]
X Y Z Rx Ry Rz
1000 160 500 0 0 0
Figura 5.12: Traçado criado para o 4º teste
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53
Antes de se começar a descrever e comentar os testes, é relevante perceber-se que a passagem
do meio virtual para o real é muitas vezes acompanhada de erros e dificuldades. Dois dos
principais problemas associados a essa passagem são o posicionamento/orientação e a fixação
das peças.
Posicionamento/orientação: em meio virtual é fácil posicionar e orientar uma peça num
referencial uma vez que nenhuma restrição é imposta e todos os pontos desse referencial são
conhecidos (pelo software). Na célula real o mesmo não acontece, a posição de um ponto é
apenas conhecida por aproximação, podendo a diferença entre o ponto real e o virtual
traduzir-se numa impossibilidade do robô em realizar as trajectórias impostas. A orientação de
peças, em operações de maquinagem, é usualmente por mecanismos dedicados ou
manualmente.
Nos testes realizados, posicionou-se o referencial da peça de maneira a que fosse possível
mover o robô até esse ponto e confirmar o seu valor. Como seria de esperar, nenhum
referencial foi posicionado no sítio correcto havendo sempre discrepâncias. Em situações em
que a diferença era pequena, redefinia-se a posição do referencial para o novo ponto e
prosseguia-se com o teste, sabendo-se dos testes realizados no capítulo 4, que nessa área era
possível a realização do mesmo. Se por outro lado a diferença fosse grande voltava-se a
simular os caminhos para garantir que não haviam colisões.
Fixação: a fixação das peças é um assunto que em meio virtual passa despercebido, uma vez
que a posição e orientação das peças é mantida durante todo o processo, mesmo em caso de
colisão. Em aplicações reais este assunto é bastante delicado tendo de ser pensado de maneira
a que seja seguro, rápido e que mantenha a peça orientada/posicionada durante toda a
operação, mesmo quando são aplicadas forças elevadas, derivadas da operação de
maquinagem. A fixação das peças foi feita recorrendo ao seu peso (testes 1,2 e 4) e ao uso de
adesivo no teste 3.
Devido aos desvios encontrados no programa Robotmaster, relacionados com a informação
dos acessórios, utilizou-se o software da célula de carga presente no robô para,
automaticamente, calcular o peso e identificar o centro de gravidade do conjunto. Os valores
obtidos e utilizados nos programas corridos na célula real estão apresentados na Tabela 6.1.
Tabela 6.1: Valores de peso e centro de gravidade obtidos no robô
Peso [kg] Centro de gravidade [mm]
11.36
X Y Z
21.54 50.74 123.75
6. Testes na célula real
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54
A utilização do software da célula de carga cria uma pasta onde devem estar as informações
sobre a ferramenta e o referencial de trabalho. A passagem da informação contida no ficheiro
pós-processado para esta pasta era feita manualmente antes de se realizarem os testes.
6.1. Teste 1
Para a execução deste teste foi utilizada uma caixa de cartão com as dimensões adequadas a
acomodar a geometria a criar. A utilização de uma caixa, devido à sua baixa rigidez, não
permitia a obtenção de uma fixação suficientemente forte para a segurar nem, garantia que as
paredes se mantivessem imóveis. Para aumentar a rigidez da caixa e garantir melhores
resultados foram colocados no seu interior objectos pesados.
As condições de realização deste teste (posição, orientação e velocidade) foram iguais às
definidas na primeira simulação realizada (capítulo 5) à excepção da face de topo que, devido
ao sistema de fecho da caixa, não pode ser realizada.
Na Figura 6.1 tem-se a comparação do traçado desejado e do criado.
Figura 6.1: Traçado criado versus desejado
Da análise da figura detecta-se que o traçado criado não representava, a nível de detalhe, o
traçado simulado. Esta diferença foi provocada pela utilização do marcador que, tendo um
diâmetro superior ao definido no software Mastercam/Robotmaster, não permitiu a
visualização dos detalhes nas zonas mais finas da peça.
A utilização da caixa de cartão, mesmo com o enchimento introduzido, não permitiu que se
tivesse uma superfície completamente plana. Este factor em conjugação com a rigidez
relativamente alta do marcador comprometeu os resultados criando diferentes erros. Na
Figura 6.2 apresenta-se uma zona onde a caixa estava deslocada, provocando uma maior força
e consecutiva perda de material.
Figura 6.2: Zona de maior contacto entre o marcador e a caixa
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55
O inverso também aconteceu, havendo zonas onde o marcador não escrevia. A passagem
entre zonas de maior força para zonas sem força fazia com que a caixa perdesse a sua posição
criando desvios em relação ao traçado desejado. Estas duas situações encontram-se
apresentadas na Figura 6.3.
Figura 6.3: Erros de traçado
Da realização deste teste conclui-se que a utilização de uma caixa para reproduzir a geometria
não foi a melhor opção, uma vez que não permitiu um conhecimento preciso da posição e
orientação de qualquer ponto da caixa, traduzindo-se em erros de representação do traçado.
Um desses erros foi o excesso de força, em alguns pontos, que se traduziu num rompimento
do material da caixa. Este erro, numa aplicação com ferramentas de corte e materiais mais
duros, podia causar situações de perigo para o utilizador e célula robótica.
6.2. Teste 2
Devido às conclusões obtidas durante a realização do primeiro teste, trocou-se o marcador
pela caneta. Tendo a caneta uma ponta mais fina, assim como um sistema que permite
absorver algumas irregularidades (mola), os resultados obtidos neste teste deviam, à partida,
ser melhores que os obtidos no primeiro, o que se veio a confirmar.
As condições de realização deste teste (posição, orientação, velocidade e material) foram
iguais às utilizadas no primeiro teste, havendo uma diferença de tamanhos entre a geometria
simulada.
Na Figura 6.4 tem-se a comparação entre o traçado desejado e o criado.
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56
Figura 6.4:Traçado criado versus desejado
Da análise da figura é notável um melhor detalhe de seguimento tendo-se conseguido atingir
um dos objectivos propostos para este teste.
Mesmo com a utilização da caneta não foi possível eliminar alguns dos erros de traçado como
se apresenta na verificar na Figura 6.5.
Figura 6.5: Zona sem contacto
A não linearidade das superfícies da peça, associado com um enchimento não uniforme
causou que, em algumas zonas, o traçado não fosse representado. Uma das causas dessa fraca
linearidade é devido ao processo de fabrico que a caixa tem (Figura 6.6), tendo contribuído
para os resultados obtidos.
Figura 6.6: Maneira de fabrico das faces da caixa utilizada
Devido ao nível de detalhe conseguido, decidiu-se fazer duas passagens para “confirmar” a
repetibilidade do robô apresentando-se na Figura 6.7 os resultados obtidos.
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57
Figura 6.7: Resultados obtidos com duas passagens na mesma face
Da análise da figura não se distingue as duas passagens da caneta, significando que, mesmo
com pequenas deslocações da caixa, o robô foi capaz de executar com boa repetibilidade o
caminho desejado. Alem disso é também visível uma zona onde houve remoção de material,
mesmo sem ferramentas de corte. A razão deste erro relaciona-se com a movimentação e falta
de rigidez da caixa uma vez que a remoção de material só aconteceu na segunda passagem.
Os resultados obtidos neste teste permitem reforçar a ideia que uma boa fixação e orientação
da peça são aspectos fundamentais para a obtenção dos resultados pretendidos.
6.3. Teste 3
Com as capacidades do robô trabalhar em várias faces testadas, projectou-se um teste rápido
que permitisse perceber a diferença provocada pela alteração de alguns parâmetros de
maquinagem, assim como confirmar as dimensões das geometrias criadas.
As condições de realização deste teste foram projectadas para que o robô criasse os caminhos
de maquinagem desejados numa folha de papel, fixada com adesivo à mesa posicionadora. O
posicionamento da folha foi feito de maneira contrária, quando comparado com os testes
realizados anteriormente, ou seja, primeiro mediu-se um ponto da mesa onde a folha estivesse
dentro do volume de trabalho do robô. De seguida simulou-se e criou-se o ficheiro com a
posição do referencial da peça para o ponto medido. Este aspecto permitiu que não fosse
preciso redefinir o referencial da peça aquando da passagem software/célula real, tornando a
realização do teste mais rápida, como desejado.
Os trajectos simulados eram em forma de rectângulo com dimensões 85x50 milímetros. Foi
também programada a realização de três testes havendo alterações de parâmetros de
maquinagem entre cada um deles. A velocidade utilizada foi igual aos testes anteriores.
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1. Desbaste com duas passagens de acabamento: Sendo uma operação de desbaste a
geometria final deve ter uma diferença para a geometria criada igual ao diâmetro da
ferramenta definida (10mm). Apresentam-se na Figura 6.8 e Figura 6.9 as dimensões
obtidas.
Figura 6.8: Dimensão obtida
Figura 6.9: Dimensão obtida
Da análise das figuras conclui-se que as dimensões obtidas eram as esperadas, podendo
concluir-se que numa operação real (ferramenta de corte) a utilização destes parâmetros, à
excepção da velocidade de avanço cujo valor determina a qualidade superficial, devem
garantir um bom toleranciamento geométrico da peça final. A obtenção das dimensões finais
subtraídas do diâmetro da ferramenta devem-se ao facto de não ser possível desactivar, em
operações de acabamento, a compensação da ferramenta. Como a ferramenta utilizada
(caneta) apenas escreve com a ponta, não se conseguem obter os valores finais da geometria.
2. Desbaste com quatro passagens de acabamento:
As condições de realização deste teste são iguais às do teste anterior com a excepção do
número de passes de acabamento, tendo-se alterado de dois para quatro (Figura 6.10).
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59
Figura 6.10: Comparação de traçado com dois ou quatro passes de acabamento
Da análise dos resultados conclui-se que a área de desbaste é dependente do número de
passagens de acabamento que se utiliza.
A alteração deste parâmetro não provocou alterações significativas nos resultados obtidos
devido à não utilização de ferramentas de corte, não sendo, por isso, concluir sobre a melhor
combinação a utilizar.
De modo a complementar este teste realizou-se, em software virtual, uma comparação da
maneira utilizada para fazer o desbaste (Morph Spiral) e da utilizada no primeiro e segundo
teste (Zigzag) concluindo-se que a utilizada nos primeiros testes (cubo) promove uma
remoção de material mais rápida.
3. Contorno com duas passagens de acabamento:
Tendo-se testado e validado operações de desbaste, sentiu-se a necessidade de realizar um
traçado com uma operação de acabamento. Este teste foi, então, criado com as condições de
posição e velocidade iguais ao teste anterior, alterando-se a maneira de criar o caminho de
maquinagem. O caminho escolhido tinha um passe de desbaste e dois de acabamento,
apresentando-se na Figura 6.11 a comparação do traçado obtido versus o pretendido.
Figura 6.11: Traçado real versus virtual
Da análise da figura apresentada repara-se que o traçado não foi fielmente reproduzido, tendo
aparecido erros. O motivo destes erros foi uma falha na fixação da peça.
Neste tipo de operações de maquinagem é permitido desligar-se a compensação do raio da
ferramenta, esperando-se obter as dimensões exactas da peça virtual. As dimensões obtidas
estão apresentadas na Figura 6.12 e na Figura 6.13.
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60
Figura 6.12: Dimensão obtida
Figura 6.13: Dimensão obtida
As dimensões obtidas foram iguais às esperadas concluindo-se que, assim como nas
operações de desbaste, o robô consegue seguir a trajectória desejada. A razão pela qual se
desliga a compensação da ferramenta está relacionado com o facto da caneta apenas escrever
com o seu ponto central, no caso de uma ferramenta de corte, a utilização deste parâmetro
desligado provocaria dimensões erradas. A realização deste teste, quando utilizadas
ferramentas de corte, provaria se a definição dos parâmetros tinha sido adequada de acordo
com o toleranciamento geométrico obtido versus desejado.
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61
A realização deste trabalho permitiu perceber, fundamentar e extrapolar conclusões sobre a
utilização de robôs industriais em processos de maquinagem, assim como de softwares que
tornam possível essa aplicação.
Para uma melhor compreensão das conclusões obtidas, é importante perceber-se que a
utilização de robôs como mecanismo dedicado, mesmo em operações de maquinagem, já se
encontra aplicada no mundo industrial. Os estudos foram realizados com o intuito de se
vincular o mínimo possível a situações concretas, tendo-se estudado sempre que permitido
situações genéricas. A utilização do conjunto robô/software foi entendida como uma solução
flexível que permite, quando aplicado no meio empresarial, uma rápida adaptação a novas
famílias de produtos.
Da análise dos factores que influenciam a capacidade do robô seguir os caminhos definidos
conclui-se que esta depende, principalmente, da geometria da peça contando que o seu
posicionamento está dentro do volume de trabalho do robô. A utilização de diferentes
acessórios é compensada pela capacidade do robô atingir o mesmo ponto de maneiras
diferentes.
A principal dificuldade sentida, durante a realização deste trabalho, prendeu-se com a
modelação da célula robótica existente, no software de CAD/CAM utilizado
(Mastercam/Robotmaster). A criação tanto dos acessórios como dos equipamentos auxiliares
(mesa posicionadora) obrigava à edição de ficheiros complexos, ultrapassando facilmente o
conhecimento do público-alvo deste software. Além disso, verificou-se que o software
Mastercam/Robotmaster tem uma definição errada das amplitudes das juntas do robô, ou seja,
a amplitude da junta três pode, dentro deste software, tomar qualquer valor independente do
valor da junta a montante. Confirmou-se na célula real e no software de programação offline
do fabricante do robô, o Robotstudio, no qual se encontra uma cópia exacta do controlador
real, que o valor da junta três é limitado pelo valor da junta dois, havendo colisões se assim
não acontecer.
Verificou-se ainda uma impossibilidade em alterar as definições dos programas gerados
(linguagem Rapid). O número de pontos por módulo assim como o directório a partir do qual
os vários módulos secundários são chamados, quando se executa o programa na célula real ou
no software Robotstudio, que vêm definidos do software de CAD/CAM não são os desejados
obrigando a uma edição dos programas gerados.
Sendo uma das características mais importantes destes tipos de softwares (programação
offline) é fundamental apresentar neste capitulo as conclusões obtidas sobre os processos de
simulação. Concluiu-se que existem três grupos de colisão, robô/peça, acessórios/peça e
robô/acessórios. A alteração dos parâmetros de colisão, em ambos os softwares, torna possível
7. Conclusões e trabalhos futuros
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
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que os dois primeiros grupos estejam perfeitamente funcionais. A criação do terceiro grupo é
possível mas como os acessórios estão fisicamente ligados ao robô, os softwares assinalem
sempre uma colisão.
O ambiente de trabalho deste software (Mastercam/Robotmaster), devido às variadas funções
que permite realizar, é complexo, necessitando de uma aprendizagem longa. A realização de
modificações de valores de parâmetros de maquinagem assim como a realização de
simulações e geração de programas na linguagem robô é feita de uma forma expedita,
atendendo à interface disponibilizada pelo programa, requerendo no entanto um computador
com elevada capacidade de processamento.
Uma informação importante de relevar é o facto de, os problemas associados à criação dos
acessórios e às definições dos programas criados, já se encontrarem solucionados na versão
mais actual do software. O aparecimento de erros e a sua rápida correcção por parte da
empresa do software permite concluir que a aplicação de robôs a processos de maquinagem é
uma técnica recente e com boas perspectivas de evolução/utilização no futuro.
A passagem do programa gerado no software CAD/CAM pelo software Robotstudio permitiu
a percepção de algumas das dificuldades antes da aplicação na célula real. Concluiu-se que a
modelação cinemática, do robô, neste software é mais exacta que a existente no
Mastercam/Robotmaster. Além disso, encontrou-se uma dificuldade na passagem dos
programas gerados, devido à extensão destes, para a zona de simulação (com visualização).
Este facto permite extrapolar que em operações de peças grandes ou complexas o número de
pontos gerados, por programa, possa impossibilitar a simulação, neste software. A quantidade
de pontos gerados pode, em alguns casos, exceder a capacidade de memória do controlador do
robô, obrigando à utilização de um computador com rapidez suficiente para trabalhar
sincronizado com o controlador.
Das dificuldades obtidas pode concluir-se que a compra de sistemas “chave na mão” permite
que uma empresa disponha de um sistema sem falhas. Estes sistemas trazem como
desvantagem o encarecimento do conjunto robô/software e a perda de alguma flexibilidade,
uma vez que, a empresa fica restringida à definição da célula “encomendada”.
O, já existente, leque de aplicações bem sucedidas de robôs faz com que a sua utilização, seja
cada vez mais vista como uma aposta lucrativa. Espera-se que, a adição de processos de
maquinagem ao leque, se traduza num caminho de uniformalização das linguagens de
programação, permitindo assim uma evolução conjunta dos softwares com aplicações
destinadas a robôs (por exemplo softwares CAD/CAM). Este caminho de evolução permite
que a concorrência se faça sentir, provocando uma diminuição dos custos de
aquisição/manutenção deste género de softwares.
Como trabalhos futuros sugere-se a integração do controlador do motor árvore de uma
maneira que garanta segurança aos utilizadores e célula. É possível assim criar geometrias
complexas que complementem o estudo feito neste trabalho.
Sugere-se também, a maquinagem de diversos materiais para melhor compreender o
significado de cada parâmetro, assim como validar os toleranciamentos superficiais obtidos.
Célula Robótica industrial: aplicação de ferramentas CAD / CAM na programação de robôs
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Anexos
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Anexo A
Características funcionais do robô ABB IRB 2400
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Anexo B
Características funcionais do módulo de mudança automática de ferramenta
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Anexo C
Características funcionais da mesa posicionadora ABB IRBP C500
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Anexo D
Características funcionais do controlador ABB IRC5
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Anexo E
Atravancamento do motor árvore PDS XLC-070
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Anexo F
Desenho de definição da interface 90 graus
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Anexo G
Desenho de definição da interface 30 graus
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Anexo H
Carta e resposta representante Mastercam/Robotmaster
Boa Tarde,
Ver abaixo resposta às V/ questoes.
Update p/ X5:
Pode ser na prox. segunda-feira 27?
Cumprimentos,
Gilberto
www.grandesoft.pt
1. Definir os valores de massa, centro de gravidade e momentos de inércia.
NOTE: The gravity, inertia, etc. are typically stored in the post processor output section. This
can be set and configured from the following location:
Robotmaster Global Settings icon
Options
And from the following field highlighted. Here, you can enter the tool load data that has been
determined on the controller itself for weight, gravity, inertia, etc.
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2. Limit the joint max angle
Yes, they will need to edit the ROBX and XML file to limit the joint values from the robot
setup folder. I would recommend making a backup of both files first before editing them. By
editing the values in both, you will ensure that the output is correct and the simulation is
correct.
Ver ficheiros na pasta C:\mcamx4\chooks\Robotmaster\ABB\Robot_Setups\IRB2400_16.
3. With a number of points > 2000, RobotMaster splits the program in subprograms in a
directory “home:” is this optional and can this directory be configured?
Yes, from the same Options dialog as shown above, you can change the maxlines from 2000
to what the controller can handle AND change the sub-directory value
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----- Original Message -----
From: "Nuno Rodrigues" <[email protected]>
To: <[email protected]>
Sent: Thursday, June 02, 2011 2:14 PM
Subject: Dúvidas relacionadas com Mastercam/Robotmaster
Bom dia
O meu nome é Nuno Rodrigues e encontro-me a realizar uma dissertação no âmbito do
Mestrado Integrado de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da universidade do
Porto (FEUP), na qual recorro à utilização de um software por vós disponibilizado, o
Mastercam/Robotmaster (versão X4). Dessa utilização surgiram algumas dúvidas, motivo
pelo qual vos envio este mensagem de correio electrónico.
O título da minha tese é utilização de ferramentas CAD/CAM na programação de robôs
industriais, tendo surgido da necessidade de explorar este ramo de mercado e aproveitar a
recente aquisição de software, o Mastercam e a expansão Robotmaster.
No desenrolar do trabalho, foi preciso definir as ferramentas existentes na célula robótica real
composta por um robô da marca ABB modelo IRB 2400 com 16kg de capacidade de carga e
pelo controlador IRC5. Para atingir esse objectivo utilizei uma expansão para o Robotmaster
de nome End Effector Setup. Depois de seguir todos os passos indicados no tutorial e criar a
ferramenta, foi realizado o pós-processamento para Rapid de um certo caminho. A primeira
dúvida surgiu quando por motivo de segurança conferi a informação da ferramenta no robô,
esta não apresentava a massa nem o centro de gravidade correctos. É importante referir que a
ferramenta foi desenhada no software Autodesk Inventor com valores de massa e centro de
gravidade correctos. A passagem para o Mastercam foi feita através de ficheiros com extensão
“.iam” (Autodesk Inventor Assembly) e “.sat” tendo as duas maneiras dado o mesmo erro.
Ficou então a dúvida da possibilidade de criar no Robotmaster ferramentas e ai definir os
valores de massa, centro de gravidade e momentos de inércia.
A segunda dúvida é relativa à limitação dinâmica do movimento das juntas 2 e 3. No software
é permitida a movimentação da junta 3 para valores superiores a 64° com a junta 2 a 0°, o que
no robô não é permitido. Existe alguma maneira de fazer-se a limitação deste movimento?
Surgiu também uma dúvida no ficheiro pós-processado. Quando criado um trajecto de
maquinagem com um número de pontos superior a dois mil o pós-processador do
Robotmaster divide automaticamente o ficheiro final em vários módulos. Um desses é o
módulo Main onde, a partir desse são chamados os restantes módulos. A procura desses
módulos é feita num directório “home:”, sendo a dúvida relacionada com o facto de ser ou
não possível a alteração desse directório (dentro do Mastercam).
Cumprimentos
Nuno Ferreira Rodrigues