PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM

ENGENHARIA MECÂNICA

PROJETO DE DISSERTAÇÃO

Desenvolvimento da Correção Automática da Trajetória

de Soldagem através da Tecnologia de Medição a Laser

Alberto Bonamigo Viviani

Orientador:

Prof. Dr. Jair Carlos Dutra

Coorientador:

Prof. Dr. Nelso Gauze Bonacorso

Florianópolis, SC Outubro de 2013

1 INTRODUÇÃO... 3

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E JUSTIFICATIVAS ... 4

3 OBJETIVOS ... 8 4 METODOLOGIA ... 8 4.1 MANIPULADOR CARTESIANO ... 8 4.2 SENSOR ÓPTICO ... 9 4.3 MONTAGEM ... 10 4.4 SOFTWARE ... 12

4.4.1 LEITURA DO TRECHO INICIAL ... 14

4.4.2 SOLDAGEM LINEAR ... 15

4.4.3 SOLDAGEM COM OSCILAÇÃO ... 16

5 CRONOGRAMA ... 17

1 INTRODUÇÃO

O setor de Petróleo e Gás está se tornando um grande fomentador de pesquisas nos últimos anos, devido ao seu reconhecimento como estratégico para o desenvolvimento do país. Os sucessivos recordes de produção e as descobertas de novos reservatórios (pré-sal) preveem uma crescente demanda tecnológica para fabricação, construção, montagem e manutenção de equipamentos relacionados. Processos de união, revestimento e reparos metálicos realizados por soldagem têm papel fundamental nestas operações. Surge, então, o interesse em aumento da produtividade e qualidade de processos por intermédio de pesquisa, desenvolvimento e inovações tecnológicas. Neste contexto, o LABSOLDA - Instituto de Soldagem e Mecatrônica conduz linha de pesquisa em desenvolvimento de processos de soldagem de união de chapas de parede espessa, na construção de linhas dutoviárias e construção naval.

Esse importante setor da economia nacional vem cada vez mais se utilizando de dutovias para o transporte e distribuição de seus produtos. Esta prática reduz a dependência de uso dos outros modais de transporte (ferroviário, rodoviário e fluvial) que atualmente no Brasil estão sobrecarregados e carentes de infraestrutura. A redução drástica dos custos logísticos, o que pode ser decisivo na competitividade e consequentemente no sucesso das empresas, é o grande benefício obtido.

As dutovias em sua grande maioria são compostas por tubos metálicos de grande diâmetro (de 4 até 50 polegadas ou mais em alguns casos) unidos por soldagem para compor os milhares de metros de sua extensão. Nos Estados Unidos da América, no período de 2006-2012, o consumo anual médio de tubos de aço Oil Country Tubular

Goods (OCTG) foi de 9 milhões de toneladas (Mt), sendo que a demanda do ano de

2012 foi 11% superior à verificada em 2008 (MENDES DE PAULA, 2013). Assim, fica clara a importância e a responsabilidade do procedimento de soldagem, que responde por boa parte da integridade das dutovias. Dependendo do que está sendo transportado, os danos ambientais e os prejuízos financeiros podem alcançar grandes proporções diante de uma situação de falha de estanqueidade.

No Brasil, os procedimentos de união dos tubos metálicos são majoritariamente executados de forma manual, utilizando em maior volume o processo conhecido com Eletrodo Revestido (ER). Na construção naval, cerca de 70% dos estaleiros nacionais utilizam somente a soldagem com manipulação manual, seja por processos de ER,

Metal Inert Gas (MIG), Metal Active Gas (MAG), Tungsten Inert Gas (TIG), entre outros

(POLEZI et al., 2012).

A principal vantagem da soldagem com manipulação manual é a presença do soldador, que atua diretamente na movimentação da tocha e utiliza seus conhecimentos e sentidos (visão, audição, olfato e tato) para realizar adequações da operação de soldagem mesmo em condições difíceis para realização desta. No entanto, sua aplicação está condicionada à disponibilidade de soldadores qualificados. Além disso, a baixa produção nas soldagens de união de chapas e tubos, acompanhada muitas vezes de retrabalho, são também aspectos negativos da execução manual.

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E JUSTIFICATIVAS

As juntas de união geralmente não facilitam a automação dos processos de soldagem por serem preparadas sem o devido controle de qualidade dimensional, além de sofrerem deformação durante a soldagem pela dilatação e contração térmicas (XIAOQI, RAJAGOPALAN e AIK, 2002). Mesmo com a difusão entre as empresas da cultura de um setor da qualidade específico para processos de fabricação, destacando os de montagem e soldagem, ainda hoje muitas carecem de tal setor, ficando à mercê de diversos e numerosos problemas causados pela preparação falha das juntas para soldagem.

As obras que dispõe de Inspetores Dimensionais também estão sujeitas a apresentar maus resultados quando a soldagem é realizada de forma automática. Na maioria dos casos, as tolerâncias dimensionais especificadas em projeto são adequadas à soldagem executada de forma manual, onde o operador compensa eventuais dificuldades durante a execução. Em soldagens automáticas, essas dificuldades, por menores que sejam, influenciam na qualidade do produto final, pois há dificuldade em fazer a compensação das mesmas durante a realização da soldagem. A frequência de ocorrência de defeitos no produto final, que é significativa em processos de soldagem automática sem sistemas adequados para compensação de descontinuidades durante a execução, faz com que a automatização da soldagem seja muitas vezes desencorajada nessas condições de variação dimensional da junta.

A soldagem automática em tais condições só é possível então com a utilização de meios que diminuam ou eliminem a influência das descontinuidades da junta no cordão de solda. O ideal para esta modalidade de soldagem é eliminar a necessidade da intervenção por parte do operador de soldagem e garantir ainda uma qualidade aceitável no produto final. Para tal fim, há duas frentes distintas, porém comumente concomitantes: utilização de processos e técnicas de soldagem robustos, que se adaptem bem as variações da junta; e utilização de sistemas de sensoriamento que identifiquem essas variações e atuem no processo de modo a sobrepujá-las.

Processos e técnicas de soldagem robustos a não-uniformidade das juntas são alvo de diversas pesquisas e desenvolvimentos, uma vez que beneficiam tanto as soldas realizadas de maneira automatizada quanto as soldas conduzidas manualmente. O próprio LABSOLDA é protagonista de avanços significativos nessa área, como por exemplo o desenvolvimento de processos TIG de alta velocidade (SCHWEDERSKY, 2011), inovações sobre o processo Plama-Pó (PTA-P) (SILVA, 2010), também em soldagem MIG em corrente alternada (SANTOS, 2008), além de desenvolvimento de processos híbridos como Plasma-MIG (OLIVEIRA, 2006).

Para garantir alto índice de qualidade e confiabilidade é preciso integrar aos equipamentos automáticos de soldagem sistemas de medição que identificam as variações dimensionais das juntas. Essa informação lida é utilizada para realimentar o equipamento automático de soldagem a fim de corrigir a trajetória da tocha de solda de forma a seguir a linha central da junta ou compensar eventuais variações de abertura de raiz, desalinhamento e empenamento, por exemplo.

A combinação das duas vertentes (processos robustos e sensoriamento da junta) resulta então em operações de soldagem automática com boa capacidade de obter um produto final adequado mesmo na presença de dificuldades diversas para realização do processo. Um exemplo de aplicação de procedimento e técnica robustos

com sensoriamento é o da soldagem MIG utilizando a técnica denominada switch back e uma câmera com sensor tipo Charge-Coupled Device (CCD) que atua na correção da trajetória e amplitude de soldagem. Ensaios feitos com essa combinação revelam a eficácia do sistema para soldagem de juntas de topo com abertura de raiz variável (YAMANE et al., 2004).

A combinação de processos robustos e sensoriamento para seguimento de junta pode trazer grandes benefícios à soldagem automatizada, inclusive possibilitando a utilização da mesma com vantagens sobre os processos conduzidos de forma manual, em ambientes onde estes imperam. Entretanto, processos de soldagem automática que dispensem a intervenção do operador de soldagem trazem um grande desafio tecnológico, tanto pelo sensoriamento quanto pelo processo adotados.

Para detecção dos parâmetros da junta, há diversos sensores disponíveis no mercado que atendem uma gama variada de aplicações e necessidades. Os tipos mais interessante de sensores para a soldagem automática são os de seguimento de junta, que propiciam a obtenção de informações da junta durante a soldagem, uma vez que esta tem suas dimensões alteradas durante o processo.

Segundo Malin (1988 apud COSTA, 2003), para ser considerado um sensor de seguimento de junta, o sistema necessita de uma realimentação de variáveis do processo (malha fechada) que atuem sobre os parâmetros programados da junta. Sendo assim, um sistema que apenas faz o levantamento do perfil da junta e executa a soldagem com base nesses dados recuperados não é um sistema de seguimento de junta propriamente dito.

Dentre os sistemas de seguimento de junta, há uma diversidade de sensores, com vários níveis de precisão e diferentes escalas de medição, diferenciando-se também no tempo de resposta, versatilidade e função, porém a diferenciação básica feita sobre esses sensores geralmente é entre sensores de contato e sem contato (BONACORSO, 2004).

Os sensores de contato são sensores geralmente simples em construção e operação, porém sua característica fundamental de funcionamento (contato com a superfície a ser medida) acaba por dificultar sua utilização para seguimento de junta. Durante a operação de soldagem, para que a correção seja bem executada, é interessante que o sensoriamento seja o mais próximo possível da região da poça de soldagem e que este obtenha informações condizentes com a característica geométrica do chanfro nesta região. A soldagem, por ser um processo que impõe muitas vezes uma quantidade grande de calor ao material de base, expõe os sensores de contato à uma elevada temperatura, o que prejudica o funcionamento dos mesmos, apresentando riscos inclusive à integridade destes. Além disso, há também a desvantagem da baixa velocidade do processo de aquisição dos pontos da superfície (BONACORSO, 2004).

Os tipos mais interessantes de sensores para correção de trajetória na soldagem automática são então os de seguimento de junta sem contato, que propiciam a obtenção de informações sem estarem em contato direto com a superfície do metal de base, eliminando assim a contaminação da peça e da solda pelo sensor.

Dentre os sensores para seguimento de junta sem contato, é interessante destacar os dois tipos mais comuns: elétricos e ópticos. Um sensoriamento por parâmetros elétricos muito utilizado em soldagem é o que usa o próprio arco elétrico como sensor e já é utilizado há mais de 30 anos (XIAOQI, RAJAGOPALAN e AIK, 2002). O uso dos sensores denominados “Sensores de Arco” baseia-se na relação existente

entre as variáveis elétricas do processo de soldagem e a Distância Bico de Contato Peça (DBCP) (COSTA, 2003).

O sistema de seguimento de junta utilizando o arco elétrico como sensor se fundamenta na variação da corrente de soldagem surgida durante o movimento de oscilação da tocha ao longo da seção transversal da junta. Por meio da comparação dos valores medidos de corrente nos dois extremos da junta, é possível saber se a linha central do movimento oscilatório da tocha está seguindo a linha central da junta (quando o valor de corrente é igual nas duas extremidades do movimento a linha central da oscilação coincide com a linha central da junta) (COSTA, 2003).

A

Figura 1 explicita que a variação da corrente ao percorrer a junta se dá por uma combinação da variação da DBCP com a variação da velocidade relativa da tocha em relação à peça (MENDONÇA, 2013).

Figura 1. Variação da corrente de soldagem durante o movimento oscilatório

Fonte: (MENDONÇA, 2013)

As principais desvantagens dos sensores a arco são a necessidade da filtragem do sinal e da obrigatoriedade na utilização do movimento oscilatório da tocha de soldagem (MENDONÇA, 2013).

Além dos sensores a arco, os sensores ópticos são muito utilizados no seguimento de junta. São sensores que em sua maioria utilizam o princípio da triangulação para interpretar o perfil do chanfro e relacionar este à posição do sensor, localizando espacialmente a junta.

Esses sensores são divididos em duas categorias básicas: com triangulação passiva ou com triangulação ativa. Quando os vértices do triângulo são a fonte de luz, a junta e a câmera, a triangulação é referida como ativa; se ao invés da fonte de luz houver outra câmera formando o 3º vértice, então trata-se de uma triangulação passiva

(XIAOQI, RAJAGOPALAN e AIK, 2002). Os processos de triangulação passiva podem ser a base da fotogrametria ou medições realizadas em função de algum parâmetro como foco, movimento, sombreamento, silhueta ou textura (YOSHIZAWA, 2009). Esses processos não são interessantes para aplicações em soldagem devido à necessidade de captação de várias imagens e processamento destas para realizar a parametrização da junta, além de serem pouco robustos frente a interferência do arco elétrico e dos respingos em seu funcionamento (SHEN, LIN e CHEN, 2007). Uma segunda desvantagem é a necessidade de pelo menos duas câmeras, enquanto que com sensores de triangulação ativa apenas uma câmera o funcionamento é possível.

A Figura 2 ilustra um sensor óptico que utiliza a triangulação como método para parametrização da junta medida onde para simplificação, está representado apenas um ponto da linha laser. A triangulação é um método simples que relaciona a posição da projeção sobre o sensor de imagem de um ponto P’ (neste caso representado no centro do sensor de imagem) com a posição do ponto P projetado sobre o chanfro. Com este método é possível localizar no espaço cada ponto do perfil amostrado em relação à posição do sensor óptico apenas utilizando propriedades trigonométricas e calibração do conjunto laser e sensor de imagem.

Figura 2. Sensor óptico, representação da triangulação

As Equações 1 e 2 demonstram como são encontrados as distâncias d (do laser à peça) e b (da lente de projeção à peça) em função dos parâmetros conhecidos do sensor: a (distância entre o centro do sensor de imagem e o centro do laser), ʄ (distância focal da lente de projeção) e α (ângulo de triangulação). O ângulo de triangulação α é um parâmetro determinado através da calibração da câmera.

=

( )

=

3 OBJETIVOS

Com base no exposto, o presente trabalho visa oferecer uma solução de melhor performance para as soldagens de união. O foco está no desenvolvimento de um sistema capaz de realizar soldagem automática, sem intervenção do operador de soldagem durante a soldagem e com capacidade para contornar possíveis dificuldades advindas da deformação da junta durante o processo ou mesmo de preparação precária da peça a ser soldada.

Através da capacidade do sensor em detectar as mudanças geométricas da junta e adaptar o processo à situação real da junta durante a operação de soldagem, o equipamento, manipulador cartesiano de soldagem automática com sensor óptico de junta (por triangulação com linha laser), será capaz de realizar simultaneamente a medição óptica da junta e sua soldagem, de forma a seguir a junta pela correção automática dos parâmetros da trajetória da tocha, além de suportar uma vasta gama de equipamentos e processos de união metálica por fusão.

4 METODOLOGIA

A primeira etapa do trabalho consistirá no levantamento de soluções já operacionais na indústria para correção de trajetória na soldagem, principalmente por meio de sensor óptico tipo “folha de luz”. Mesmo sendo uma tecnologia muito recente, já há empresas que utilizam sensores ópticos para seguimento de junta. É importante tal pesquisa para se ter uma noção de capacidade dos sistemas atuais e de possibilidades de utilização desta tecnologia também.

Após esta pesquisa, far-se-á um estudo do funcionamento de medição do sensor óptico disponível no LABSOLDA e do manipulador de soldagem, a fim de utilizá-los de maneira otimizada no desenvolvimento da correção de trajetória e conseguir definir com clareza e objetividade quais as necessidades que a correção automática de trajetória precisa atender de modo a beneficiar a soldagem de peças com variação geométrica.

Uma avaliação preliminar do funcionamento e dos modos de operação do sensor óptico tipo “folha de luz” possibilitaram um melhor entendimento de suas funções, limitações e aplicações no seguimento de junta.

4.1 MANIPULADOR CARTESIANO

O manipulador utilizado nos ensaios preliminares foi o Tartílope V4 (Figura 3), de 4 graus de liberdade, movimentando a tocha no espaço cartesiano XYZ e rotacionando em torno de X ou Y, dependendo da configuração da montagem. Nesta etapa são utilizados somente os eixos prismáticos X e Y, eixos para translação da tocha de soldagem. O eixo X é composto por um trilho onde o carro principal se movimenta (geralmente este é o sentido da junta de soldagem). O eixo Y é montado com um conjunto guia linear e cremalheira e é responsável pelo posicionamento e oscilação da tocha (SPS, 2013).

Figura 3. Tartílope V4: (A) Manipulador, (B) Gabinete de controle, (C) Interface homem-máquina e (D) Controle para correção manual

Fonte: (SPS, 2013)

Apesar do manipulador escolhido para a etapa inicial de estudos e futuro desenvolvimento do software para seguimento de junta ser o ilustrado na Figura 3, não está descartada a utilização de outros manipuladores para a soldagem automática com sensoriamento óptico. Um sistema versátil em termos de integração com diferentes manipuladores é muito interessante uma vez que essa pluralidade de modelos e fabricantes no manipuladores para soldagem é a realidade de muitas empresas que podem se beneficiar com a tecnologia do seguimento de junta.

4.2 SENSOR ÓPTICO

O sensor óptico escolhido para o desenvolvimento do seguimento de junta para soldagens automáticas de chapas e tubos é o sensor SLS-050, da empresa Meta Vision

Systems Inc.; este é um sensor óptico tipo “folha de luz” que utiliza um laser diodo de

30 mW de potência e um sensor de imagem tipo Complementary Metal–Oxide–

Semiconductor (CMOS) para realizar a leitura do perfil de junta por triangulação,

detectando pontos chave da junta previamente programados e calculando diversas informações, como desvios horizontal e vertical do centro da junta, desalinhamento das chapas ou tubos, abertura de raiz, ângulo de chanfro, entre outros. A capacidade da câmera é de 30 fps quando utilizando toda sua área útil. O campo de visão do sensor é de 50 mm de largura, com uma profundidade de campo de 80 mm, com precisão de ± 0,1 mm para medições verticais ou horizontais. O sensor necessita de ar comprimido para sua proteção e refrigeração, podendo ser utilizado o gás de soldagem para esses fins ou água para a refrigeração do mesmo. A Figura 4 ilustra uma aplicação do sensor óptico para inspeção de passe de raiz em tubulações.

Figura 4: Sensor óptico SLS-050 Fonte: (META VISION SYSTEMS, 2009)

4.3 MONTAGEM

Conhecidas as características e o modo operante de sensor e manipulador, dar-se-á início à integração do sensor ao manipulador, tanto mecânica quanto eletronicamente. A integração deverá ser realizada de modo a garantir operação com mínimo de erro e risco ao sensor, garantindo a atuação com diferentes tipos de juntas, processos de soldagem, manipuladores, materiais de base e de adição.

Os estudos iniciais sobre o sensor óptico aconteceram com ele acoplado à frente da tocha de soldagem, acompanhando a mesma em seu deslocamento, inclusive quando há movimento de oscilação em Y da tocha. Para conhecer melhor os modos de funcionamento do sensor e sua capacidade, foram desenvolvidas duas rotinas básicas para seguimento de junta, uma linear e uma com oscilação da tocha e sensor. Em ambos os casos existe uma problemática de compatibilidade entre o sensor e o Tartílope. Os protocolos de comunicação disponíveis no sensor são CAN e Ethernet, entretanto nenhum deles está disponível no deslocador de tocha. Um computador faz o papel de tradutor, recebendo as informações do sensor pela porta Ethernet e repetindo para o Tartílope por comunicação Serial.

A integração mecânica do sensor com o manipulador foi projetada buscando a segurança do sensor durante a operação de soldagem, a robustez do acoplamento mecânico entre sensor, tocha de soldagem e manipulador e a redução da massa do conjunto, para não causar problemas durante a operação do mesmo. O suporte desenvolvido para integração mecânica do sensor à tocha do manipulador está ilustrado na Figura 5.

Figura 5. Integração mecânica do sensor óptico com a tocha do manipulador

Será projetado um novo acoplamento para o sensor, de modo que o mesmo tenha liberdade de ser posicionado em diferentes ângulos em relação à tocha de soldagem. Esta opção é explorada por alguns trabalhos da área e aparenta a capacidade de atenuar algumas dificuldades que se apresentam no seguimento de junta, principalmente as surgidas pela qualidade da preparação superficial do chanfro e regiões superficiais adjacentes à junta (KINDERMANN, 2013).

A influência deste preparo superficial da junta foi constatada nos ensaios preliminares e parece ser um dos fatores chave para o sucesso do seguimento de junta por sensoriamento óptico. A superfície com uma rugosidade excessiva ou até com sentidos de lixamento contrários nos dois lados da junta causam uma interferência no perfil da junta reconhecido pelo sensor e atrapalham a leitura das parâmetros do mesmo, muitas vezes impedindo a localização dos pontos chave do chanfro para cálculo do erro da junta em relação ao perfil programado. Esta influência é tão séria que inclusive o fabricante do sensor foi informado da mesma e já começou a trabalhar em soluções para minimizar este problema.

A integração eletrônica do sensor óptico com o manipulador foi realizada com a instalação da break-out board do sensor no próprio gabinete de controle do manipulador. Foram tomados os devidos cuidados para aterramento da malha do cabo que faz a conexão sensor e break-out board, além da alimentação da última por uma fonte adequada e alocada unicamente para esta função. A Figura 6 retrata o gabinete de controle do Tartílope já com a break-out board já integrada (em destaque na mesma).

4.4 SOFTWARE

Uma vez finalizada a integração do sensor ao manipulador, será desenvolvido um software de correção on-line de trajetória capaz de ler os parâmetros da junta soldada e identificar desvios dimensionais da mesma comparada ao perfil de junta programado, mensurando esses desvios e compensando-os na trajetória de soldagem quando necessário, garantindo assim um processo robusto mesmo com a presença de mudanças dimensionais na junta soldada (desalinhamento, abertura de raiz, empenamento, entre outros).

O desenvolvimento deste software de correção necessita de testes do mesmo para comprovar sua eficácia e robustez; para tanto, será concebida uma bancada de testes a fim de testar o software e o sensor óptico em ambiente de soldagem similar ao encontrado na construção naval e na fabricação de linhas de dutos. Para comprovar a eficácia da correção, serão realizadas soldagens com e sem a utilização do sensor óptico, comparando o resultado destas através de uma metodologia a ser determinada. Analisada a performance do sensor comparada à soldagem automática sem sensoriamento automático (apenas com correções do operador de soldagem), serão propostas eventuais melhoras ao sistema desenvolvido e também trabalhos futuros a serem desenvolvidos com o sensoriamento óptico e correção automática de trajetória na soldagem naval e de dutos.

Foi desenvolvido um software preliminar baseado nos exemplos fornecidos pelo fabricante, Meta Vision Systems Inc., no caso a biblioteca utilizada é a “C++ DLL

package 2012”. Este software foi concebido com a única intenção de testar o

funcionamento do sensor óptico quando acoplado ao manipulador.

De forma sucinta, o código inicializa o sensor (conecta computador e sensor por

Ethernet) e habilita o processo de medição; em seguida inicia um timer, que executa em

intervalos de tempo constantes (atualmente 100 ms) a leitura dos valores dos pontos de interesse da junta configurada. A função utilizada para a leitura retorna um vetor com diversas informações referentes ao chanfro configurado, porém nesta etapa do projeto somente a posição central da junta foi utilizada. Neste mesmo ciclo do timer a posição central da junta é enviada ao manipulador Tartílope via RS232.

A Figura 7 apresenta uma captura de tela do software desenvolvido em operação, fazendo a medição de uma junta de topo com chanfro tipo V (o campo destacado representa a medição em milímetros do deslocamento do centro da junta em relação ao centro do sensor na direção horizontal).

Na Figura 8 está representada a bancada inicial para testes de funcionamento do sensor. As três peças (Figura 8-4) retratadas foram concebidas de forma a testar a influência da qualidade superficial da preparação da junta para a medição do perfil de chanfro e seguimento de junta. A Figura 9 ilustra a bancada para testes de correção de trajetória, com o sensor já acoplado ao Tartílope V4.

Figura 7. Captura de tela do software desenvolvido para o sensor óptico em operação

Figura 8. Bancada de testes do sensor óptico: (1) Sensor, (2) Suporte do sensor, (3) Gabinete decontrole, (4) Peças para seguimento de junta e (5) Computador

3

1

2

Figura 9. Bancada para testes da correção de trajetória

O software desenvolvido para os testes iniciais do sensor é uma composição de duas rotinas: uma leitura do trecho inicial do chanfro, anterior à soldagem, que é a mesma independentemente do tipo de movimento da tocha na progressão de soldagem (linear ou com oscilação); e uma rotina específica para o tipo de deslocamento de tocha desejado, seja este com ou sem oscilação. Como o sensor está acoplado à tocha de soldagem, na soldagem com oscilação da tocha o software trabalha com a oscilação do sensor sobre a junta.

4.4.1 LEITURA DO TRECHO INICIAL

A primeira etapa da operação de soldagem automática com correção pelo sensor óptico de linha laser é a de leitura do espaço inicial da junta. A tocha é posicionada no início da junta e devido à configuração de montagem o sensor fica sobre a junta (Figura 10). Existe um espaço entre a tocha e o sensor que precisa ser medido, denominado

Offset do sensor (Figura 10-A). Para esta leitura o sensor é recuado até que a linha laser

projetada esteja sobre a posição inicial de soldagem (Figura 10-B), então a tocha é deslocada e a posição da junta capturada em distâncias fixadas em 2,5 mm (Figura 10-C, D e E). Os desvios de posição em relação ao primeiro ponto coletado são tratados como o erro de posição. Todas as distâncias e tempos de medição foram parâmetros estimados apenas no intuito de comprovar o funcionamento do sensor junto ao manipulador, não levando em conta, nesta etapa, a qualidade do resultado obtido.

Figura 10. Leitura do trecho inicial (Offset)

4.4.2 SOLDAGEM LINEAR

No movimento sem oscilação (ou soldagem linear) o funcionamento do sensor é análogo ao procedimento inicial (Figura 10), coletando uma informação de posição da junta a cada distância fixa percorrida pela tocha. Essas posições são convertidas em erros ao serem comparadas ao ponto de referência e as correções anteriormente aplicadas à tocha. As correções são armazenadas para que sejam aplicadas na tocha de soldagem quando esta chegar à referida posição (Figura 11).

Na Figura 11, está exemplificada a marcação do erro associado ao ponto 6, que ocorre da seguinte maneira: o manipulador desloca a tocha da posição 1 para a posição 2, aplica a correção que está associada à correção 2 (no caso 0,5 mm) e então faz a leitura do sensor para determinar um erro relativo à posição 6. Na mesma figura, o erro da posição 6 leva em conta o deslocamento horizontal da linha central do chanfro em relação ao sensor óptico e a correção aplicada no ponto em que a tocha se encontra naquele momento (no caso o ponto 2). A correção de altura (vertical) da tocha ainda não é levada em conta, sendo incorporada ao software em etapa futura de desenvolvimento do mesmo; esta correção funcionará de maneira análoga à correção horizontal, referenciando o erro ao ponto da junta sob o sensor óptico, levando em consideração a correção aplicada à tocha para que o sensor chegasse sobre aquele ponto.

Figura 11. Soldagem linear, marcação do primeiro ponto (ponto 6) após a leitura inicial

4.4.3 SOLDAGEM COM OSCILAÇÃO

No movimento com oscilação, tocha e sensor oscilam juntos sobre a junta, então o procedimento utilizado é um pouco diferente: em cada extremo da oscilação, um erro é calculado e referenciado à origem do sistema (Figura 12). A cada dois erros coletados, uma média é feita entre estes e encontra-se então a correção para a linha central do movimento oscilatório. Para localizar essa correção ao trecho específico da junta em que deve ser implementada, é levada em conta a correção aplicada à tocha no trecho sobre o qual a tocha estava no intervalo de coleta dos dois pontos pelo sensor óptico.

A correção horizontal é então armazenada para que seja utilizada somente quando a tocha estiver sobre aquele trecho da progressão de soldagem. Assim como na soldagem linear, a correção de altura da tocha ainda não está incorporada ao software. Os procedimentos para correção vertical e horizontal na soldagem com oscilação têm funcionamento análogo, com coleta de 2 pontos e utilização da média desses valores como erro de correção, considerando a correção aplicada à tocha para localizar esse valor calculado no chanfro.

Figura 12. Estratégia para seguimento de junta com oscilação

5 CRONOGRAMA

Descrição das atividades a serem desenvolvidas no presente trabalho:

1. Pesquisa na literatura sobre os aspectos positivos e negativos dos procedimentos aplicados para a soldagem de união a arco elétrico com correção automática de trajetória;

2. Estudo do funcionamento sensor óptico tipo “folha de luz” e do manipulador cartesiano de soldagem;

3. Integração mecânica do sensor óptico ao manipulador de soldagem;

4. Integração eletrônica do sensor óptico a unidade de comando e controle de movimento do manipulador cartesiano;

5. Desenvolvimento e implantação do software de correção automática da trajetória de soldagem;

6. Concepção e montagem da bancada de ensaios de soldagem e das juntas para o ajuste do algoritmo de correção da trajetória;

7. Realização das soldagens de união sem e com o uso do sensor óptico;

8. Determinação de uma metodologia de comparação entre os resultados de soldagem obtidos sem e com o sensor óptico;

Atividade / Mês 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BONACORSO, N. G. Automatização dos processos de medição de superfícies e de

deposição por soldagem visando a recuperação de rotores de turbinas hidráulicas de grande porte. Universidade Federal de Santa Catarina - [S.l.]. 2004.

COSTA, A. R. F. Desenvolvimento de um sistema de seguimento de junta que utiliza o

próprio arco como sensor. 2003.

KINDERMANN, R. Entwicklung und Erprobung von Algorithmen zum adaptiven

lasersensorgestützten Mehrlagenschweißen von V- und Kehlnähte mit MSG-Prozess. .

[S.l: s.n.], 2013.

MENDES DE PAULA, G. Exploração do gás de xisto revoluciona mercdo norte-americano e impacta operações das siderúrgicas. Revista ABM Metalurgia, materiais &

mineração, Volume 69, Mai/Jun 2013, p. 180, 2013.

MENDONÇA, F. K. Evolução da Técnica de Seguimento de Junta via Sensoriamento do

Arco para Operações de Soldagem em Posições Forçadas. Universidade Federal de

Santa Catarina - [S.l.]. 2013.

META VISION SYSTEMS. SLS-050 Preliminary Data Sheet September 2009. . [S.l: s.n.], 2009.

OLIVEIRA, M. A. De. Desenvolvimentos no processo híbrido Plasma-Mig para

operações de soldagem e brasagem. Universidade Federal de Santa Catarina - [S.l.].

2006.

POLEZI, R. L. et al. XXXVIII CONSOLDA–Congresso Nacional de Soldagem 15 a 18 de Outubro de 2012 Ouro Preto, MG, Brasil. In: XXXVIII CONSOLDA - CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM. Anais... [S.l: s.n.]. Disponível em:

<http://www.labsolda.ufsc.br/site/publicacoes/artigos/2012_consolda_polezi.pdf>. Acesso em: 5 out. 2013, 2012.

SANTOS, T. F. Dos. Soldagem mig com corrente alternada MIG CA. Universidade Federal de Santa Catarina - [S.l.]. 2008.

SCHWEDERSKY, M. B. Um estudo da eficiência e produtividade dos principais

processos de soldagem a arco. Universidade Federal de Santa Catarina - [S.l.]. 2011.

SHEN, H.;; LIN, T. e CHEN, S. A study on vision-based real-time seam tracking in robotic arc welding. Robotic Welding, Intelligence and Automation, p. 311–318, 2007.

SILVA, R. H. G. e. Inovações em Equipamentos e em Parametrização no Processo de

Revestimento por Plasma-Pó (PTA-P). Universidade Federal de Santa Catarina - [S.l.].

2010.

SPS, S. em S. L. Catálogo de Equipamentos. . [S.l: s.n.]. Disponível em:

<http://www.sps-soldagem.com.br/catalogo/Catalogo_de_equipamentos_SPS-Soldagem.pdf>, 2013.

XIAOQI, C.;; RAJAGOPALAN, D. e AIK, M. F. Advanced Automation Techniques in

Adaptive Material Processing. Singapore: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2002.

p. 321

YAMANE, S. et al. Adaptive control of back bead in V groove welding without backing plate. Science and Technology of Welding and Joining, v. 9, n. 2, p. 138–148, 2004.