DESCRIÇÃO DO RETROFITTING

A execução da readequação tecnológica do robô Sankyo foi realizada em quatro fases: projeto, fabricação, montagem e análise dos resultados.

As informações técnicas contidas no manual do

equipamento foi o ponto de partida. As especificações mais

importantes obtidas neste manual, além das apresentadas na Tabela 1, foram: transmissão do movimento por fuso com passo de 20 mm nos eixos X e Y e passo de 10 mm no eixo Z, acoplamento dos servomotores de corrente alternada aos fusos via polia e correia dentada com redução de 1:1 nos eixos X e Y e redução de 1,5:1 no eixo Z e a presença de freio eletromagnético no eixo Z para evitar impacto entre a ferramenta e a peça

quando for interrompida a energia elétrica para o robô (Sankyo

Roboticts, 2001).

Além das informações contidas no manual do robô Sankyo foi levado em consideração também as especificações da empresa contratante que pretende aplicar este equipamento, após sua readequação, no processo de furação robotizado de componentes eletromecânicos. São elas: uso de componentes padronizados e de baixo custo, fácil operação e manutenção, utilização de furadeira pneumática como ferramenta do robô, segurança do operador e do próprio robô, posto de trabalho ergonomicamente correto, alta disponibilidade para produção, resolução de posicionamento linear menor que 0,03 mm, capacidade de carga máxima maior que 20 kg e custo meta de R$ 8.000,00 para realizar todo o retrofitting.

O início da etapa conceitual ocorreu no capítulo de fundamentação teórica desta dissertação onde uma concepção foi escolhida baseada nas características das tecnologias existentes para a readequação de cada parte do robô Sankyo. A Figura 14 mostra o diagrama funcional desta concepção que utiliza tecnologia de acionamento em malha aberta por motor de passo com alto torque e o controlador CNC Mach3 como gerador de comandos para o robô.

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FIGURA 14 - Diagrama de blocos funcional da concepção escolhida para o robô

A seguir, são definidos os componentes e os

procedimentos usados em cada um dos subsistemas do robô:

mecânico, eletroeletrônico e o de parametrização do

equipamento.

3.1 Readequação do sistema mecânico

Para melhorar a aparência do robô, as carenagens de aço foram removidas, jateadas com granalha e pintadas com tinta sintética automotiva. Nesta etapa inicial, todos os parafusos fixadores do robô foram removidos. Os oxidados foram substituídos por novos da mesma bitola com o objetivo de facilitar um futuro serviço de manutenção no robô.

Os sistemas mecânicos de conversão de movimento dos eixos do robô, embora estivessem em bom estado de conservação apresentavam grande quantidade de resíduos e de lubrificante envelhecido na forma sólida, conforme mostra a Figura 15(a). Para solucionar esse problema, que é extremamente prejudicial ao robô, foram desmontados os três sistemas mecânicos de conversão de movimento e uma limpeza a base de óleo diesel comercial foi executada. Na sequência, os sistemas mecânicos foram lubrificados com graxa lubrificante a base de Lítio e montados, Figura 15(b).

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(a) (b)

FIGURA 15 - Condições do eixo X antes da limpeza e lubricação em (a) e depois em (b)

A seguir, os antigos servomotores CA da Sankyo, Figura 16, foram removidos e substituídos por motores de passo de alto torque com características dimensionais semelhantes. O flange padrão de motores elétricos NEMA 23 foi o que mais se aproximou do flange dos servomotores CA e também foi o maior flange padrão cabível no espaço reservado no robô para os motores, Figura 15(b).

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O fabricante Applied Motion possibilita mais flexibilidade de escolha por oferecer oito tipos diferentes de motores de passo de alto torque com flange NEMA 23. Cada um destes tipos ainda possui três opções de comprimento de motor, conforme mostra a Figura 17. O motor de passo de alto torque modelo HT23-401 da Applied Motion, posição esquerda da Figura 17, foi escolhido para acionar os três eixos do robô por apresentar maior torque entre todos os vinte e quatros modelos disponíveis pelo fabricante e seu comprimento cabível nos três espaços reservados no robô para os motores.

FIGURA 17 - Motores de passo alto torque modelo: HT23-401 na esquerda, HT23-398 no centro e HT23-394 na direita. Fonte: adaptado Applied Motion

Devido à substituição dos motores, houve

incompatibilidade nos pontos de fixação dos motores de passo na estrutura do robô. Assim, foram projetados flanges de alumínio, em ambiente CAD (Computer Aided Design) por meio do software SolidWorks®, para adaptar a fixação dos mesmos na estrutura mecânica do robô. A manufatura destes flanges foi executada em um centro de usinagem CNC, a partir do código G gerado em ambiente CAM (Computer Aided Manufacturing) por meio do software Edgecam®. A concepção mecânica renderizada em CAD e a peça em ambiente CAM podem ser visualizadas na Figura 18.

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(a) (b)

FIGURA 18 - A concepção mecânica renderizada em ambiente CAD (a) e ambiente CAM (b)

Além disso, foi necessário construir uma peça de fixação em nylon, Figura 19(a), para a furadeira pneumática reta, Figura 19(b). Esta furadeira possui uma rotação nominal de 2.500 rpm e pode fixar brocas em seu mandril até 3/8”.

(a) (b)

FIGURA 19 - Ferramenta de furação usada: peça de fixação em (a) e a furadeira pneumática em (b). fonte: adaptado: Chigago pneumactic(b)

Com o objetivo de aumentar o torque nos eixos do robô para compensar a perda natural de torque do motor de passo em função do aumento de sua velocidade e, ainda atender à especificação de resolução linear, menor que 0,03 mm, da empresa contratante foram definidas novas relações de transmissão dos motores para os fusos. Nos eixos X e Y, foram

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utilizadas relações de transmissão de 2:1, polias motoras com 22 dentes e polias movidas com 44 dentes, e no eixo Z foi usada uma relação de transmissão de 1:1 com 28 dentes em ambas as polias.

Após estas mudanças, as resoluções lineares dos eixos ficaram idênticas e iguais a 0,025 mm considerando os motores operando no modo meio passo (400 passos por volta). A fim de garantir uma perfeita fixação das polias sobre seus respectivos eixos foram utilizadas buchas de expansão. As três correias existentes de fabricação estrangeira, modelo S3M369 da Figura 20(a), foram também substituídas pelo modelo similar nacional padronizado, 3M-A da Figura 20(b).

(a)

(b)

FIGURA 20 - Modelos de correias do robô Sankyo, em (a) as antigas e em (b) as atuais. fonte: adaptado Mitsuboshi (a) Optibelt (b)

3.2 Readequação do sistema eletroeletrônico

Entre vários drivers existentes no mercado com capacidade de corrente suficiente para o acionamento dos motores HT23-401 foi selecionado o driver STR8, Figura 21, também do fabricante Applied Motion. O principal motivo que levou a esta escolha foi que o driver STR8 aperfeiçoa, via uma chave de seleção conectada ao seu DSP, o acionamento de

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doze modelos de motor de passo onde, o modelo HT23-401 é um deles. Além disso, este driver possui um sistema de suavização de passos, smooth step, que usa o acionamento em micro passos para minimizar as vibrações mecânicas causadas nas transições de cada passo inteiro (APPLIE MOTION, 2010).

FIGURA 21 - Driver de motor de passo selecionado

A possibilidade de operar com tensão alta de barramento, até 75 V, é outra importante característica deste driver que melhora a qualidade da curva torque versus velocidade do motor de passo como pode ser observado na Figura 22. Nesta figura, se verifica um incremento de 100% do torque do motor de passo modelo HT23-401 na velocidade de 15 rps quando a tensão de alimentação do driver é substituída de 24 V para 48 V.

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FIGURA 22 - Curva torque x velocidade do motor HT23-401 com tensão: 24 V em (A) e 48 V em (B)

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Do ponto de vista econômico esta solução, driver STR8 mais motor HT23-401, é a que possui o menor custo: R$ 581,00 por eixo. Soluções de baixo custo com outras tecnologias de acionamento de eixos foram pesquisadas. A solução usando servomotor DC com escovas mais servodriver tem um custo de R$ 1.205,00, por eixo enquanto que a solução servomotor CA mais servodriver por eixo possui um custo de R$ 2.171,00.

O painel antigo do equipamento, Figura 2(b), foi todo substituído, como mostra a Figura 23, deixando de usar os componentes da marca Sankyo para utilizar componentes padronizados e comerciais. O sistema eletroeletrônico é formado pelo computador portando o controlador CNC Mach3, pela placa de interface de sinais da porta paralela do PC e pelos circuitos de potência, de intertravamento e os de sinais.

FIGURA 23 - Painel eletroeletrônico: (a) as conexões com o PC e com a alimentação, (b) a placa de interface, (c) os drivers dos motores, (d) a placa com os relés de intertravamento, (e) os conectores dos motores e sinais de

homes e em (f) os botões de comando

A Figura 24 mostra o diagrama de blocos do circuito elétrico de potência desenvolvido para energizar o sistema

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eletroeletrônico do robô. A placa de interface de sinais e a fonte de 24 V, que alimenta o circuito lógico de intertravamento, são ligadas diretamente na rede alternada de 220Vca enquanto que os drivers dos eixos X, Y e Z são alimentados por uma fonte auxiliar de 67Vcc / 6A. Esta fonte auxiliar é constituída por um transformador abaixador de 220Vca / 48Vca - 6A, uma ponte retificadora e o capacitor de filtragem e, é ligada pelo contato normal aberto K pertencente a contactora do circuito lógico de intertravamento, Figura 24.

FIGURA 24 - Diagrama elétrico do circuito de potência

O circuito de intertravamento foi desenvolvido com a função de assegurar o bom funcionamento do robô. Caso ocorra uma falha em um dos drivers por (sobrecarga, sub tensão, sobre tensão, aquecimento excessivo) ou uma queda de pressão na alimentação da ferramenta pneumática ou o programa do controlador CNC pare de funcionar ou ainda o usuário pressione o botão de parada de emergência, este circuito aciona o freio do eixo Z e interrompe a alimentação dos drivers do equipamento, evitando que ocorram possíveis danos ao robô, ferramenta e ao operador. Este circuito é formado pela contactora K e por diversos contatos de relés, que são ligados, conforme mostra a Figura 25, e acionados quando os componentes essenciais para o funcionamento do robô estão em perfeito funcionamento.

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FIGURA 25 - Circuito elétrico de intertravamento

Quando for pressionado o botão de ligar ON, o circuito entra em auto-retenção, energiza os drivers por meio do contato normal aberto K da contactora, Figura 24. Não havendo problemas na alimentação de ar comprimido, no programa do controlador CNC e nos drivers e seus respectivos motores os contatos normais abertos P, RM, RX, RY e RZ são comutados. Assim, o freio do eixo Z é liberado e o led verde é energizado sinalizando ao operador que o robô está pronto para executar tarefas programadas e que o mesmo pode liberar o botão ON.

Quando o botão impulso de desligar OFF ou o botão de parada de emergência PE forem acionados ou uma falha ocorra na alimentação de ar comprimido ou nos drivers ou ainda no controlador CNC o circuito sai da situação de auto-retenção interrompendo a alimentação dos drivers, acionando o freio do eixo Z e desligando o led verde de sinalização.

Os sensores de posição, encoders, do antigo sistema de controle de movimento dos eixos do robô Sankyo eram do tipo absoluto não possuindo, desta forma, sensores de home específico. Na situação atual, foi construído um circuito de home por eixo, Figura 26(a), para referenciar o robô no início de cada período de trabalho. Os sinais de saída destes circuitos, sinais de home, são enviados ao programa do controlador CNC através da placa de interface. Cada um destes circuitos é constituído por uma chave opto eletrônica, Figura 26(b), que detecta a presença

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do eixo na posição zero. Esta chave é ativada por uma pequena chapa metálica, presa na parte móvel de cada eixo, que interrompe o feixe de luz.

(a) (b)

FIGURA 26 - Homes dos eixos: circuito eletrônico em (a) e o sensor em (b)

Uma interface específica de condicionamento de sinais entre o controlador CNC Mach3 e os circuitos eletrônicos do robô foi utilizada com o objetivo de isolar e adequar os sinais digitais de entrada e de saída da porta paralela do PC. Entre vários fabricantes pesquisados a interface 4AXRL da empresa CNCBR, Figura 27, foi a que apresentou a melhor relação entre custo e benefício.

FIGURA 27 - Placa de interface de sinais 4AXRL: (a) alimentação em 220 Vac, (b) conexão DB25 com o PC, (c) 4 saídas à relé, (d) 8 saídas de

comando e (e) 5 entradas de sinais

Esta placa de interface ainda reconhece o sinal digital de presença do programa Mach3 (onda quadrada de frequência 12

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kHz) e, por meio do contato normal aberto de seu respectivo relé, RM, entra na lógica de intertravamento do robô, Figura 25. Além disso, todos os 17 sinais usados da porta paralela do PC, conforme mostra a Tabela 2, são sinalizados por esta interface que conta ainda com uma saída regulada de 12V / 1A para alimentar os circuitos de homes dos eixos e o ventilador do gabinete.

TABELA 2 - Sinais usados pelo controlador CNC Mach3 Pinos da Porta

Paralela do PC

Tipo de Sinal Função no Robô

1 Saída Ferramenta 2 Saída Step X 3 Saída Dir X 4 Saída Step Y 5 Saída Dir Y 6 Saída Step Z 7 Saída Dir Z 8 Saída Periférico 9 Saída Periférico 10 Entrada Periférico 11 Entrada Home X 12 Entrada Home Y 13 Entrada Home Z 14 Saída Periférico 15 Entrada Periférico 16 Saída Periférico

17 Saída Presença Mach3

18 a 25 Referência GND

Inicialmente, foram configurados todos os sinais de entrada e saída do controlador CNC e depois os parâmetros do programa de acordo com as características mecânicas de cada eixo do robô, tais como: número de passos por milímetro, aceleração e velocidade máxima dos três eixos.

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3.3 Adequação do Controlador CNC

Para instalar o software de controle CNC Mach3 é necessário um PC que opere no padrão de 32 bits com o sistema operacional Windows 2000 ou Windows XP ou Windows Vista 32 bits. Seu fabricante recomenda pelo menos um processador de 1GHz com um monitor com definição de tela de 1024x768 pixels.

A grande vantagem do controlador CNC Mach3 é o fato de não necessitar de um hardware adicional para o comando de máquinas automáticas, posto que utiliza a porta paralela do microcomputador. Assim, foi utilizada apenas a plataforma básica do Mach3, para configurar todos os seus sinais de entrada e saída, Tabela 2.

A primeira configuração do controlador CNC Mach3 refere-se à porta de comunicação e a máxima frequência de transmissão que o software utilizará no comando dos drivers dos motores de passo, step e dir, e nos outros sinais de entrada e de saída. Nesta configuração, Figura 28, foi determinada a utilização da porta paralela número 1 e uma frequência de comunicação de 25 kHz.

FIGURA 28 - Configuração da comunicação do Mach3

Após a definição dos parâmetros referentes à porta de comunicação são configurados os pinos da porta paralela. O Mach3 proporciona a programação de 5 sinais de entrada e 12 sinais de saída, tomando como base apenas 1 porta paralela.

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Tais sinais digitais possuem padrão TTL e podem ser utilizados, tanto para a lógica de acionamento do robô, como para o controle de direção, velocidade e posição dos motores de passo.

A função destinada a cada pino é facilmente estipulada por meio de uma interface simples e intuitiva. O ponto de partida para a programação é habilitar o sinal desejado. A seguir determina-se qual porta será usada. Posteriormente, seleciona-se o pino responsável pelo sinal e seleciona-se o mesmo é ativo em nível alto ou baixo, como mostra a Figura 29. Nesta tela de configuração, determinou-se que o driver do motor de passo do eixo X recebe respectivamente os sinais de step e dir pelos pinos 2 e 3 da porta paralela 1. Ambos os sinais são ativos em nível alto.

FIGURA 29 - Configuração dos sinais de comando dos drivers dos eixos X,Y e Z

O Mach3 possibilita a programação de uma série de sinais de entrada, os quais estão relacionados principalmente com a busca da origem dos eixos do robô, sinais de homes dos eixos. Ao ligar o robô, obrigatoriamente, a rotina de home deve ser executada para buscar a posição zero de cada eixo. Após este procedimento automático, o robô está apto a executar a programação relacionada a tarefa. A Figura 30 ilustra que os sinais de homes dos eixos X, Y e Z foram configurados para serem acionados em nível baixo respectivamente pelos pinos de entrada 11,12 e 13 da porta paralela 1. Os pinos de entrada 10 e 15 desta porta paralela foram também configurados, Figura 31,

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como sinais de entrada para receber informações de um possível sensor e/ou sinal de saída de um equipamento periférico.

FIGURA 30 - Configuração dos sinais de homes dos eixos do robô

FIGURA 31- Configuração dos sinais de entrada do controlador CNC para uso futuro

Posteriormente, foram configurados os sinais de saída do Mach3 como mostra a Figura 32. O primeiro deles, Charge Pump configurado no pino 17, estabelece o reconhecimento do funcionamento do controlador CNC Mach3 evitando desta forma que outro programa acione o robô. Este reconhecimento é realizado pela placa de interface que ao receber neste pino uma

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onda quadrada de frequência de 12 kHz do controlador Mach3 aciona o contato normal aberto RM do circuito de intertravamento, Figura 25.

O segundo sinal de saída, Output #1, é utilizado para o acionamento da furadeira pneumática via eletroválvula direcional enquanto que os demais (Output #2, Output #3 e Output #4) são utilizados para acionar possíveis atuadores e/ou entradas de equipamentos periféricos.

FIGURA 32 - Configuração dos sinais de saída do Controlador CNC

Na readequação do robô Sankyo foi considerado a utilização de apenas uma porta paralela. Nesta configuração, apenas 2 entradas e 4 saídas do controlador não estão sendo

utilizadas e foram disponibilizada para uso, como

entradas/saídas de um CLP para executar lógica de dispositivos externos em futuras aplicações. Entretanto, na necessidade de ampliar ainda o número de entradas e de saídas do robô, existe a opção de serem adicionadas portas sobressalentes.

O programa Mach3 proporciona ainda a configuração de um perfil de velocidades para os motores de forma trapezoidal conforme mostra a Figura 33. Nesta tela é fornecido inicialmente para cada eixo do robô, a relação de quantidade de passos necessários para um deslocamento linear de 1 mm. Como todos os eixos possuem a mesma resolução de 0,025 mm está relação é de 40 passos por milímetro.

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FIGURA 33 - Parâmetros do perfil trapezoidal de velocidade dos eixos do robô

A seguir, é necessário informar ao programa Mach3 a velocidade máxima dos eixos do robô. Este parâmetro é determinado pela velocidade máxima possível de operação dos motores nas condições nominais de operação. No robô foi possível aplicar com sucesso uma velocidade de 3 krpm em todos os motores de passo proporcionando uma velocidade de deslocamento linear nos eixos de 500 mm/s ou 30.000 mm/min.

Na sequência, foi determinado o valor máximo de aceleração que permite realizar a variação máxima de velocidade dos eixos do robô. Para isso, iniciou os ensaios com um valor baixo de aceleração e, gradativamente, este parâmetro foi

incrementando. Até o valor de 1800 mm/s² não houve parada

dos motores ou perda de passo dos motores durante as acelerações e desacelerações dos três eixos do robô.

Por último, foram ajustadas em 15 µs as durações dos pulsos de comando, step e dir, de cada eixo do robô. Este tipo de configuração é fundamental, uma vez que o tempo necessário para entendimento de um sinal de comando muda de acordo com cada driver e servodriver. Desta forma, o uso de circuitos adicionais de prolongamento de sinais, passa a ser dispensável, o que diminui a complexidade da eletrônica.