Durante o período de estágio na Motofil as soluções desenvolvidas incidiram sobre a melhoria de máquinas já existentes e que estã o constantemente a sofrer alterações por vários motivos, como por exemplo inovações, pedidos específicos de clientes, entre outros. V isto que no decorrer do estágio o funcionamento da empresa nã o permitiu o acompanhamento do início ao fim de uma instalaçã o por diversos motivos tais como clientes no estrangeiro, longos períodos de projeto e montagem. Optou-se entã o por definir uma linha de trabalho em que fosse possível passar por todos os passos, para isso foi necessário acompanhar vários projetos e intervir apenas em partes de projeto, em alterações de projeto ou melhorias. Para a elaboraçã o deste relatório de estágio o foco permanece em dois modelos de máquina, Mesa H e a C oluna de S oldadura, pois foram os que mais tempo ocuparam e onde foi possível desenvolver e adquirir mais conhecimento. O trabalho desenvolvido durante todo o estágio abordou diversas áreas, como por exemplo programaçã o robôs (F anuc); programaçã o de autómatos Siemens e F anuc; protocolos de comunicaçã o (E thernet, Profinet, C an, Profibus); desenvolvimento de HMI’s (B eijer e W eintek); projeto elétrico (S E E E lectrical); escolha, pesquisa e seleçã o de materiais; e desenvolvimento de um apalpador (Seam T racker).
3.1 T ip os de máquina s Mes a H e C oluna de S o ldadura
Neste capítulo será abordada uma descriçã o das duas máquinas onde foi possível desenvolver mais trabalho durante o tempo de estágio. A s máquinas abaixo descritas podem variar em dimensões e características, pois as soluções que sã o produzidas na Motofil sã o moldadas as especificidades dos clientes, e das peças a operar.
Mes a H
E ste tipo de máquina (F igura 3.1) é constituída por uma mesa em forma de H (A ), um ou dois robôs de soldadura (B ) com a possibilidade de acrescentar um terceiro robô para extraçã o de peças, uma plataforma de base e fixaçã o da instalaçã o (C ), proteções de segurança (D ) e uma campânula de extrações de fumos provenientes da soldadura (E ). O nome Mesa H é devido a geometria da mesa em forma de H, esta possui trê s eixos de rotaçã o servo-controlados, sendo o primeiro para rodar a mesa em 180º graus (ω1), o segundo é o terceiro sã o usados para rodas a ferramenta de trabalho que é acoplada a cada lado da mesa ( ω2, ω3). No segundo e terceiro por norma sã o acoplados aros com posicionadores normalmente designados por gabaritos, que tê m como objetivo de verificar a presença, forma, posiçã o e dimensã o das peças a soldar. Os motores servo-controlados funcionam como eixos estendidos do robô, sendo o seu posicionamento controlado a partir da consola do robô, do mesmo modo que se operam os eixos do robô facilitando assim o posicionamento dos robôs e a sincronizaçã o de movimentos entre os dois na área de trabalho do robô (F igura 3.2 (C )).
F i gura 3.1 - L ayout geral da c él ul a [ 24]
Modo de funcionamento:
1. Montagem das peças no gabarito e posterior validaçã o do mesmo pelo operador; 2. A mesa gira de maneira a que o gabarito montado e validado passe para a zona do robot
e, por sua vez, o que estava no robot, passa para a área de trabalho do operador ficando a espera de nova peça e validaçã o;
3. O robot tem a funçã o de soldar as peças montadas no gabarito validado;
4. E m caso de nã o haver anomalias no processo, após a validaçã o do próximo gabarito, a mesa gira e repete-se todo o processo novamente.
F i gura 3. 2 - Á reas de trabal ho de uma mesa H [ 24] L egenda:
A . - A ro para gabarito; B . - Painel de comando; C . - Z ona do robô; D . - Z ona do operário; E . - C ontrolador;
F . - E quipamento de soldar; G. - B arreiras óticas.
C o luna de S oldadura S imples
“E quipamento em construçã o soldada, de elevada rigidez por forma a garantir uma flexã o mínima do braço, sendo que os movimentos sã o garantidos por meio de guias lineares de precisã o. C ontém 5 eixos motorizados e 6 eixos de movimentaçã o (X , W, Z Y, y1, y2), para soldadura MIG/ MAG , TIG e SAW” [ 24]. O sistema de soldadura é fornecido pela Motofil ou pelo cliente podendo ser SA W em tanden, simples, MIG/MA G, T IG ou ainda combinado.
F i gura 3. 3 - C ol una de S ol dadura S i mpl es [ 24] É constituído por (ver dimensões na T abela 3.1):
C arro: monitorizado, eixo X – movimento de translaçã o horizontal sobre carris; C oluna: motorizado opcionalmente, rotaçã o W – coluna montada sobre uma roda de
coroa que permita a rotaçã o entre 0 – 180º ;
B raço: motorizado, eixo Z vertical e eixo Y horizontal – montado sobre um carro com deslocamento vertical;
C abeçal de soldadura: está montado sobre um carro individual, acoplado ao braço ou fixo na extremidade do braço (F igura 3.4);
F i gura 3. 4 - C abeçal nos doi s ex tremos na C ol una de S ol dadura [ 24]
T abel a 3. 1 - C araterísti c as T éc ni c as das C ol unas de S ol dadura [ 24] Mode los
C aracterís tic as técnic a s Unidade C B 3030 C B 4040 C B 5050 C B 6060 C B D 6060 C B 6030+30
C urs o do braço ( Y ) mm 3000 4000 5000 6000 3000+3000
C urs o da c oluna (Z bas e) mm 3000 4000 5000 6000 6000
A ltura mínima ( braço – solo) C / c arro mm N.A . 1450 1550 1550 S / ca rro mm 630 1090 885 885 A ltura máxima ( braço – solo) C / c arro mm N.A . 5350 6370 7600 7600 S / ca rro mm 3450 4720 5740 6935 6935 A ltura máxima total (B ) C / c arro mm N.A . 6630 7630 9200 9200 S / ca rro mm 5000 6000 7000 8535 8535
C omprimento tota l braço ( A ) mm 4300 5300 6300 7890 8390
V eloc ida de máxima braço mm/min 1800@ 50HZ
V eloc idade máxima c oluna mm/min 1800@ 50HZ
V eloc idade máxima c arro mm/min 1500@ 50HZ
V eloc idade máxima c a be çal e s lide
mm/min 1400
P otência ac ionamento bra ço kW 2x0,55
P otência ac ionamento c oluna kW 0,55
P otênc ia a c iona mento c arro kW 0,75
P otênc ia a c ionamento c abe çal e s lide
kW S ervo motor D C
C omprimento do ca rro ( C ) mm N.A . 1800 2400
L arg ura do ca rro ( D ) mm N.A . 1800 2300
D is tâ nc ia e ntre carris (E ) mm N.A . 1450 ( variável) 1960(variáv el)
A ltura do c arro ( F ) mm N.A . 630 665
Q uadros E létric os
Nos quadros elétricos produzidos nas instalações da Motofil podemos destacar dois tipos de estrutura de quadros, um é instalado dentro do controlador do robô ficando assim a ser o quadro elétrico geral da célula, o outro é o típico quadro/armário elétrico presente em todas as estruturas industriais.
Quadros dentro dos controladores F anuc (A utómato - PMC ) mesa H versã o simples:
E ste tipo de instalaçã o é feita para economizar gastos de maneira a fornecer uma soluçã o de baixo custo ao cliente, com todas as funcionalidades e equipamentos necessários. D este modo nã o é instalado um quadro elétrico na instalaçã o e é aproveitado o espaço dentro do controlador F anuc. Para tal é necessário instalar duas platinas uma com a parte de alimentaçã o, proteçã o e distribuiçã o de potê ncia da máquina a outro com a parte de controlo a 24V D C com os sinais e alimentaçã o de componentes de controlo e comando instalados na porta do controlador como é possível ver na F igura 3.5.
F i gura 3.5 – C ontrol ador F anuc parte de c ontrol o e de potê nc i a [ 24]
Quadros elétricos:
Nas instalações com um quadro elétrico podemos destacar dois tipos, uma para aplicações mais básicas com ou sem robôs, e outra para aplicações mais elaboradas nas quais é necessário autómatos com um maior desempenho e com características de segurança mais específicas denominadas Safety, que sejam capazes de fazer a gestã o de vários processos simultaneamente assim como a gestã o de vários robôs.
No caso das instalações mais básicas com dimensã o e complexidade reduzida como na coluna de soldadura (F igura 3.3) é utilizado um quadro elétrico como na F igura 3.6 este caso específico tem como principais características: vários variadores da Nord para controlar os movimentos da coluna e um autómato da gama S 7-1200 da Siemens com trê s módulos de expansã o de sinais digitais e um de sinais analógicos. D evido a dissipaçã o do calor os dispositivos com maior dissipaçã o encontram-se na parte superior do quadro elétrico (variadores e fontes de alimentaçã o), junto ao ventilador do quadro. E sta gama de autómatos veio substituir a antiga gama do S 7-200 a qual usava comunicaçã o R S 485 e Profibus, neste momento é possível programar autómatos diretamente via protocolo E thernet, com recurso a uma programaçã o mais simples e intuitiva num módulo compacto e expansível (F igura 3.7).
F i gura 3. 7 - P L C S i emens S 7- 1200 [ 24]
Para as instalações mais complexas e de maior dimensã o a estrutura do quadro elétrico mantem-se embora varie as dimensões conforme a quantidade de equipamentos a controlar. E m termos de autómatos é utilizado uma Siemens S 7-300 com ligaçã o a uma Siemens E T 200S onde é feita ligaçã o dos I/O’s da instalaçã o. A E T 200s pode ser expandida dando a possibilidade de acrescentar entras e saídas, módulos de
comunicaçã o e entradas e saídas Safety. Deste modo ficamos com uma unidade de processamento (PL C ) separada da unidade de leitura e escrita (E T 200S ) conectados apenas por Profinet e com a possibilidade de poder desligar a parte de leitura de sinais sem ser necessário desligar a parte de processamento da máquina. A parte de reles de segurança pode ser integrada na E T 200S usando cartas de Safety.
3.2 P ro g rama çã o d e autómato s e robô s
A programaçã o é a forma a partir da qual se consegue estabelecer a sequê ncia de movimentos/tarefas desejadas. A linguagem de programaçã o usada varia de construtor para construtor trazendo dificuldades na programaçã o de robôs de marcas diferentes dentro da mesma célula.
Geralmente, esta programaçã o era dita online, isto é, era feita através duma consola ligada ao controlador que obrigava a paragem da célula, trazendo quebras de produtividade e aumento do custo do produto por consequê ncia, além de um nível de insegurança para o programador e célula robótica. A principal vantagem da programaçã o online é nã o precisar adquirir softRare extra nem qualificações específicas por parte do operário. No entanto, graças à evoluçã o natural que se tem dado nesta área, a programaçã o também evoluiu. Primeiramente evoluíram as consolas de programaçã o com interfaces mais intuitivos, ecrã s maiores e tácteis e hoje em dia, também a substituiçã o da ligaçã o através de cabos por redes sem fios.
Surgiu entã o a necessidade de fazer a dita programaçã o de células robóticas sem que estas parassem, nascendo assim o método de programaçã o offline. A tualmente j á se consegue programar sem que a célula robótica pare, e através de ferramentas de simulaçã o já é possível prever acidentes que possam ser perigosos para o programador / operário / célula robótica. C omo principal desvantagem deste método é a necessidade de obter softRare especifico sendo que é preciso efetuar-se ajustes por programaçã o online devido a erros de modelaçã o da célula virtual. [ 25]
P ro g rama çã o S iemens
O softRare de engenharia S T E P 7 é o softRare de controladores SIMA T IC da Siemens. A té a versã o mais básica deste softRare oferece um acesso intuitivo e simples dos controladores da Siemens. A versã o B asic dá uma plataforma compartilhada para programar controladores S7- 1200 e painéis básicos da SIMA T IC HMI, enquanto a versã o Professional oferece mais possibilidades pois contém uma vasta seleçã o de editores de programas. [ 26]
E ste softRare é de referê ncia nesta área, uma vez que oferece uma significativa aceleraçã o na eficiê ncia de tarefas de automaçã o: configuraçã o de hardRare, programaçã o, comissionamento e serviço, comunicaçã o, arquivo e documentaçã o ou funções operacionais e/ou de diagnóstico. [ 26]
F erramentas do ST E P 7: [ 27]
SIMA T IC Manager: é o programa principal que administra os projetos ST E P 7. ST E P 7 “Read Me”: ou notas, dáinformações com detalhe sobre a versã o,
procedimentos de instalaçã o, etc.
L A D , ST L , F B D : é a ferramenta que serve para escrever programas de usuário S T E P 7 em “D iagramas de C ontactos”, “L ista de Instruções” ou “D iagrama de B locos de F unções”.
Memory C ard: para armazenamento de programas de utilizadores em módulos E PR OM. D ependendo da aplicaçã o podem ser necessários diferentes drivers.
C onfiguring NetRorks: para configuraçã o de redes.
Setting the PG – PC Interface: para selecionar o endereço local do nó, velocidade de transmissã o e o endereço de maior nó da rede MPI.
P ID C ontrol: blocos destinados a resolver tarefas de controlo PID (malha fechada). C onverting S5 F iles: para converter programas ST E P S5.
C onfigure SIMAT IC Rorkspace: para configurar sistemas multi-usuário. C onverting TI files: para converter programas SIMA T IC T I.
F i gura 3. 9 - S T E P 7: D o proc esso para o proj eto [ 27]
Processo: a primeira tarefa é desmembrar o processo de automatizaçã o em pequenas sub-tarefas separadas que formam um toda.
HardRare e SoftRare: cada sub-tarefa tem que cumprir requisitos de hardRare e softRare: “HardRare:
o Número e tipo de entradas e saídas; o Número e tipo de módulos;
o Número de bastidores; o C apacidade e tipo da C PU; o Sistemas HMI;
o Sistemas de Interligaçã o em rede.
SoftRare:
o E strutura do programa;
o Tratamento de dados para o processo de automatizaçã o; o D ados de configuraçã o;
o D ados de comunicaçã o;
o D ocumentaçã o do programa e do projeto”.
Projeto: abrange o hardRare necessário (+ configuraçã o), rede (+ configuraçã o), todos os programas e o tratamento completo de todos os dados para uma soluçã o com automaçã o.
E strutura do Proj eto: Os dados sã o armazenados sob a forma de objetos e estes sã o organizados numa estrutura de árvore.
Hierarquia do Projeto:
1º Nível: contém o ícone do projeto. 2º Nível:
o A s estações sã o o ponto de partida para configurar o hardRare e mostram onde estã o armazenadas as informações para essa configuraçã o.
o A s pastas “S 7 Program” sã o o ponto de partida para o desenvolvimento dos programas. E stas contê m outras pastas para os blocos e arquivos fonte do programa.
C o ns ola d e prog ramaçã o F anuc (T eac h P endant):
A consola de programaçã o da F anuc permite de forma intuitiva movimentar todos os eixos do robô e assim criar rotinas de pontos as quais sã o gravadas para posteriormente serem usadas por o PL C . T odas as operações incluindo a programaçã o e parametrizaçã o do robot realizam- se mediante esta unidade. Os dados e o estado do armário de controlo visualizam-se no display de cristal líquido (L C D ) da consola.
F i gura 3. 11 - I ndi c adores de estado para c onsol a pol i c romáti ca [ 24]
3.2.2.1 P MC - P rog rammable mo tion c ontrol F anuc :
O sistema de programaçã o F A NUC L A D D E R -III foi desenvolvido para criar, apresentar, editar, imprimir, monitorizar e depurar programas ladder em sequê ncia para o ladder PMC ( Programmable Motion C ontrol = PL C integrado no robô) e é fácil de ligar através da E thernet [ 8]. E ste PL C integrado no robô permite executar tarefas relativamente básicas, que em muitos casos podem suprimir a necessidade de PL C externo numa instalaçã o.
A rquitetura [ 28]:
F i gura 3. 13 - A rqui tetura F anuc L adder [ 28]
Programaçã o base em ladder, com hipótese de ser modificada com recurso ao softRare F anuc L adder-III, que suporta ladder estendido adequado à s necessidades da máquina, permitindo uma escrita mais simplificada e intuitiva de instruções complexas.
3.3 C riaçã o e Implementaçã o de HMI W eintek
A W eintek é o maior fabricante independente de HMIs a nível internacional.
C aracterísticas básicas das HMI´s W E INT E K [ 29]:
“Sistema operacional baseado no L INUX e imune a vírus; Acesso remoto via V NC (modelos com E thernet);
D oRnload/upload de projetos e dados pela internet via softRare E asyAccess; D isplay L C D tipo TF T de alta resoluçã o;
Interface serial MPI 187,5K bauds para uso com PL C ’s SIE ME NS S7-300/400; Suporte para impressoras via USB ou serial;
P ortas USB para pendrive, rato, teclado e leitor de código de barras; Upload e doRnload de programas via USB;
Temperatura de operaçã o: 0 a 50°C ; Touchscreen de 10^6 operações;
D rivers de comunicaçã o para a maioria dos P L C ’s do mercado: Modbus, L S, RockRell, Siemens, Schneider, GE , ABB, SE W, Omron, Mitsubishi, Toshiba, D elta, F atec, Hitachi, K oyo, Telemecanique, Beckoff e muitos outros, totalizando mais de 250 protocolos.” [ 29]
F i gura 3.14 - H M I W ei ntek [ 30]
S iemens
O softRare de programaçã o das consolas W eintek, E asyB uilder 8000/PR O é totalmente integrado com o S7-1200 da S iemens. É possível importar a tabela completa das T ag’s do PL C S7-1200 através do driver de comunicaçã o [ 30].
Ser for utilizado um HMI de outra marca, deverá ser selecionado outros drivers de comunicaçã o PL C como S 7-300 / 400 para se conseguir a comunicaçã o com o S7-1200.
F i gura 3. 15 - I ntegraçã o entre S i mati c S 7- 1200 e o H M I W ei ntek [ 30]
O E asyB uilder 8000/PR O também consegue suportar mais de 40 tipos diferentes de dados provenientes do S7-1200 incluindo: B OOL , B Y T E , W OR D, D W OR D , R E A L , INT , SINT , US INT , UINT , UD INT , D INT , etc.
E stes recursos reduzem bastante o tempo de desenvolvimento do projeto e melhoram a eficiê ncia da programaçã o.
F anuc
O protocolo de comunicaçã o para estabelecer comunicaçã o com os PMC da F anuc e a consola W eintek é o G E F anuc 90-30 series. E ste protocolo permite usar o PMC dos robôs da F anuc da mesma maneira como se de um PL C . Sendo assim possível uma interaçã o entre o PMC e a consola W eintek.
T abel a 3.2 - C onf i gurações H M I [ 30]
A E thernet é um protocolo de comunicaçã o que em diversos aspetos é superior, em comparaçã o com as tradicionais comunicações. C ada vez mais PL C s integram este tipo de comunicaçã o e podemos prever que nos próximos tempos a E thernet venha a ser o meio de integraçã o padrã o entre HMI e PL C . E nquanto numa rede E thernet a largura de banda nã o é geralmente motivo de inquietaçã o, já a segurança é. Neste tipo de sistemas, a preocupaçã o de segurança surge quando o controlador está em risco de acesso externo via uma rede geral da empresa, por isso, a W eintek lançou o modelo da consola MT 8073iE com 2 portas E thernet. A dupla porta garante que o HMI pode estar ligado a duas redes independentes, em que uma porta se liga ao controlador e a outra porta ao nível da gestã o ou para controlo, monitorizaçã o ou manutençã o remota (por exemplo via E asyA ccess 2.0). A existê ncia das duas portas melhora, significativamente, a segurança e a estabilidade de transferê ncia de dados, eliminando as questões de segurança [ 31].
T rab alho des env olv i do – C oluna d e s old ad ura
F oi proposto a implementaçã o de uma consola W eintek numa coluna de soldadura que até entã o era controlada a partir de botões e seletores no quadro elétrico sem qualquer tipo de parametrizaçã o por parte do operador da máquina. E deste modo criar a uma versã o mais prática flexível e apelativa em termos comerciais da mesma. A ssim sendo podemos verificar os menus e possibilidades de parametrizaçã o que passaram a ser disponíveis neste tipo de equipamentos da F igura 3.16 até a F igura 3.29
A rmário E létrico:
O quadro elétrico deixa de estar repleto de botões e seletores, e fica com um aspeto mais moderno apenas com um HMI um seletor de chave e um led de indicaçã o de potê ncia no quadro e um botã o de emergê ncia.
F i gura 3. 16 - A rmári o E l étri c o [ 24] L egenda:
A . C onsola táctil para controlo das funções da máquina (HMI).
B . L ed de indicaçã o que a máquina está sob tensã o.
C . B otã o de emergê ncia:
D . C have para descativar os fins de curso (SQs) de emergê ncia (esta chave deve ser usada apenas por um responsável, de preferê ncia da área de manutençã o):
E . F icha para ligaçã o do virador e posicionador F unções da C onsola de C omando (HMI):
L egenda:
A . Seletores do menu Inicial / Idioma
O primeiro ecrã a aparecer depois de selecionar o idioma:
F i gura 3. 18 - E crã I nf ormações G erai s [ 24] L egenda:
A . Seletores do menu Inicial / Idioma
B . Seletores do menu Geral
C . Seletores do menu Soldar
D . Seletores do menu A larmes e Mensagens
E . Seletores do menu E statísticas
F . Seletores do menu Manutençã o
G . Seletores do menu Slide
H . Seletores do menu Mover
I . Indicaçã o de data e hora. S elecione o respetivo campo para alterar a data e as horas
J . Indicaçã o dos parâmetros em utilizaçã o (R olos (cm/min) / Posicionador (º /min))
K . Indicaçã o de alarme. Quando acende é porque temos uma falha na máquina. Podemos ir para o ecrã de alarmes e mensagens selecionando diretamente em cima da indicaçã o, ou no seletor do respetivo ecrã .
F i gura 3. 19 - E c rã M enu G eral [ 24] L egenda:
A . Indicaçã o da máquina sem falhas. E sta indicaçã o fica a verde, quando estiverem reunidas as seguintes condições de funcionamento condições:
1. E mergê ncia OK
2. V ariadores de velocidade sem erros. Os variadores tê m dois L eds. D eve estar aceso apenas o L ed verde. S e tiver o L ed vermelho aceso, o variador está em erro:
F i gura 3. 20 – L ed do v ari ador de v el oc i dade O k [ 24]
3. A s memórias dos freios dos motores estarem ativas no PL C , o que indica o funcionamento sem erros.
4. O distribuidor de alimentaçã o de 24V estar com todos os leds verdes. No caso de ter algum dos leds a vermelho quer dizer que encontrou alguma fanha no canal de alimentaçã o respetivo:
F i gura 3. 21 – M oni tori z açã o dos c anai s de al i mentaçã o do M i c o [ 24]
5. O estado de emergê ncia nã o pode estar ativo, e os dois primeiros leds do relé de segurança devem estar verdes. C aso o terceiro led do relé de segurança esteja ligado aparecerá a vermelho e indica que foi acionado uma emergê ncia e é preciso rearmar o relé com o comando R E SE T do comando ou do HMI:
6. F alta de água ou erro mig/mag pode dar falha na máquina caso estes estejam ativos.
F i gura 3. 22 – R el é de segurança S i ri us da S i emens [ 24]
alarme dos erros previamente corrigidos.
C . C oluna a preencher com valores adequados ao processo de soldadura com a sua respetiva ferramenta.
D . C oluna a preencher com valores adequados ao controlo do movimento durante o