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AULA 4 AUTOMAÇÃO E CONTROLE INDUSTRIAL Profª Carla Eduarda Orlando de Moraes de Lara 2 INTRODUÇÃO Um dos ramos mais explorados da automação industrial é a robótica, pois, por meio do desenvolvimento dos robôs industriais, várias vantagens foram adicionadas a diversos processos industriais. Compreender a robótica industrial é fundamental para o desenvolvimento dos sistemas de automação aplicados à indústria. Sendo assim, nesta aula, abordaremos o contexto histórico e a evolução dos robôs industriais, além de tópicos relacionados à sua estrutura, aplicações e sua programação. Ainda que a maior parte das aplicações envolvendo robôs seja industrial, é possível observar uma crescente demanda deste em outros setores, como na medicina, realizando procedimentos que vão desde auxílio no diagnóstico até na área cirúrgica. TEMA 1 – INTRODUÇÃO À ROBÓTICA INDUSTRIAL Segundo Rosário (2005), existe uma crescente demanda pela capacidade de realizar tarefas com eficiência e precisão, o que algumas vezes não ocorre quando um ser humano as realiza. Neste sentido, desenvolver máquinas capazes de realizar atividades com tais características faz com que os processos se tornem mais eficientes e melhor executados. Outro ponto importante é pensar sobre as atividades que precisam ser realizadas, porém, oferecem grande risco à saúde ou integridade humana. Portanto, substituir a atuação dos humanos por máquinas em ambientes que ofereçam riscos é fundamental. Neste cenário, em virtude da crescente necessidade de desenvolvimento de dispositivos para atuar nestas condições, surgem os robôs. Esse assunto já era objeto de estudo desde o início das primeiras civilizações, em que já existia o desejo de construir uma máquina que pudesse substituir o trabalho humano em determinadas situações. Sabe-se que a palavra robô é originária da palavra tcheca robotnik, que significa servo. O primeiro a utilizar esse termo foi Karel Capek, em 1923, e trazia a concepção de robô como um “homem mecânico” (Rosário, 2005). Entretanto, a idealização de construção de robôs só passou a ter mais força devido a necessidade de maior produtividade na indústria. 3 Em 1940, o escritor russo-americano Isaac Asimov escreveu as três leis fundamentais da robótica, que são: • 1ª Lei: um robô não pode ferir um ser humano ou, por inação, permitir que um ser humano seja ferido. • 2ª Lei: um robô deve obedecer às ordens dadas por humanos, exceto quando isto conflitar com a primeira lei. • 3ª Lei: um robô deve proteger sua própria existência, a menos que isso conflite com a primeira ou a segunda lei (Santos, 2015). Essas leis tornam a atuação dos robôs mais seguras em relação a possíveis danos que estes possam causar aos seres humanos. Com o desenvolvimento das máquinas de usinagem empregando controle numérico, na década de 1950, o inventor George Devol projetou uma nova máquina industrial programável, destinada a manipulação de objetos. Em um trabalho em conjunto com o engenheiro Joe Engelberger, fundaram a empresa Unimation e, em 1960, apresentaram ao mercado o Unimate, que ficou conhecido como o primeiro robô industrial (Santos, 2015). Os primeiros robôs eram muito simples, não tinham capacidade de sensoriamento para controle de suas ações e dependiam muito da intervenção humana em casos de situações que não estavam projetados para lidar, além de apresentar um elevado custo. Entretanto, com a evolução da microeletrônica, ocorreu uma considerável redução de custos dos robôs, favorecendo o crescimento destes nas indústrias. 1.1 Vantagens e desvantagens dos robôs industriais Existem diversas vantagens na utilização de robôs na indústria e discutiremos algumas delas. Além da vantagem de substituição dos humanos em ambientes insalubres ou atividades com risco ergonômicos, é possível observar um aumento na produtividade, pois os robôs podem trabalhar 24 horas por dia e sem descanso. Isso também impacta na rentabilidade da indústria, uma vez que os custo com mão de obra são reduzidos, e a disponibilidade da máquina é maior que a de um operário. Outra vantagem é a padronização, melhoria na qualidade e na uniformidade da produção, pois, uma vez programado para desenvolver uma 4 tarefa, o robô a executará sempre da mesma maneira e com as características requeridas. Por outro lado, segundo Rosário (2005), existem alguns fatores que podem ser encarados, como desvantagens, custo da aquisição em massa de sistemas robotizados, além do impacto social que isso pode gerar. Se considerarmos que os processos produtivos serão realizados apenas por robôs, teríamos uma diminuição considerável nos postos de trabalho, que ocasionaria um aumento no índice de desemprego entre os operados das unidades industriais. Outro fato interessante é que a maioria das multinacionais procuravam países subdesenvolvidos para suas instalações, como o objetivo de obter mão de obra barata, porém, com a evolução dos robôs e a queda de seus custos, muitas estão voltando suas instalações para seus países de origem. TEMA 2 – ASPECTOS CONSTRUTIVOS DOS ROBÔS INDUSTRIAIS Podemos definir um robô industrial como um braço mecânico motorizado que possui características antropomórficas, ou seja, possui semelhança com a forma humana. Além disso, esse braço robótico é programável, sendo que seu controle é realizado por um computador, assemelhando-se ao cérebro humano que controla as atividades do corpo. Por definição da International Organization for Standardization (ISO), pela ISO 10218-1, o robô industrial é considerando como uma máquina com vários graus de liberdade, capaz de manipular objetos e ferramentas, com possibilidade de reprogramação, para executar tarefas pré-programadas (ISO, 2011). Com base da definição da ISO, podemos inferir que os robôs industriais são indicados para sistemas de automação flexíveis. Falando sobre os sistemas de automação, podemos discutir sobre dois tipos: os sistemas rígidos e os flexíveis. Segundo Rosário (2005), automação rígida é aquela na qual as máquinas são projetadas para executar apenas uma tarefa, sendo que qualquer modificação na tarefa da máquina implica em modificação em sua estrutura, e não somente em sua programação. Quando falamos em automação flexível, existe a possibilidade de apenas reprogramar as máquinas, evitando assim modificações físicas, o que é interessante por apresentar menores custos e menor tempo de parada. A seguir, discutiremos a respeito da construção física de um robô industrial, estudando as partes que o constituem, bem como suas características e funções. 5 2.1 Elementos construtivos de um robô industrial Um robô industrial é constituído por pelo menos seis partes principais, que, segundo Santos (2015), são: • Base fixa: trata-se da parte fixa do robô, porém, em alguns casos essa parte pode se mover por deslizamento ou então efetuar rotações. • Braço articulado: também chamado de manipulador mecânico, é constituído por diversas partes que os categorizam, as quais abordaremos na sequência deste tema. • Efetuador final: semelhante à mão humana, é essa parte que irá tratar diretamente da manipulação de objetos, podendo também ser uma ferramenta que executará alguma ação. • Unidade de controle: é responsável pelo controle de todas as ações do robô, ou seja, é ela que vai enviar sinais de comandos para que execute as tarefas para as quais foi programado. • Dispositivo de programação: trata-se do recurso por meio do qual o robô será programado, podendo ser um teclado ou joystick. • Fonte de energia: é responsável por fornecer energia para o funcionamento do robô, o tipo mais comum é a elétrica, porém, também pode ser pneumática ou hidráulica. A Figura 1 apresenta um exemplo de robô industrial, por meio do qual pode- se observar algumas das partes descritas, como o braço articulado,o efetuador final e uma parte de sua base fixa. Figura 1 – Exemplo de robô industrial Crédito: wellphoto/Shutterstock. 6 Como mencionado, o braço articulado e o efetuador final possuem características essenciais para o robô, por isso, trataremos destes com mais detalhes. 2.1.1 Braço articulado O braço articulado, ou manipulador mecânico, é composto por elos, juntas, punho e efetuador final. Essas partes podem ser comparadas aos elementos que constituem os membros superiores do corpo humano. Os elos são estruturas rígidas, comparadas com o braço e o antebraço humano. Já as juntas exercem a função de conectar dois elos e possuem características móveis que permitem a execução de movimentos, além disso, podem ser comparadas com as nossas articulações, como ombros e cotovelos. As juntas representam os graus de liberdade de um robô e estes estão diretamente relacionados, ou seja, o número de juntas determina quantos graus de liberdade o robô terá. Um robô deve apresentar, no mínimo, seis graus de liberdade, sendo que três destes são dedicados ao posicionamento do efetuador e três para a orientação dos movimentos referentes às tarefas a serem realizadas (Rosário, 2005). Podemos classificar as juntas em três categorias, sendo elas: • Juntas prismáticas: também são chamadas de juntas deslizantes, pois realizam movimentos lineares de deslizamento. • Juntas rotativas: a conexão de dois elos por meio de uma junta rotativa permite movimentos de rotação ou torção. • Juntas esféricas: pode ser definida como a conexão que consiste em três juntas de revolução, que permitem movimentos de rotação em torno dos três eixos. Além dos tipos de juntas, os robôs possuem uma classificação para o seu braço, que estudaremos na sequência. 2.1.2 Classificação dos robôs quanto a sua geometria A classificação quando a geometria de um robô é realizada por meio das características construtivas do seu corpo e braço, ou seja, o manipulador. Conforme os tipos de juntas que o modelo emprega, se tem diferentes geometrias. 7 Segundo Groover (2011), podemos classificar os robôs quanto à sua configuração como: • Robô de coordenadas cartesianas; • Robô de coordenadas cilíndricas; • Robô de coordenadas polares; • Robô articulado; • Robô SCARA. 2.1.3 Efetuadores Quando tratamos de efetuadores, estamos nos referindo ao componente final do braço robótico, conectado no punho do robô. Devido à diversidade de tarefas que podem ser realizadas por um robô, existem diversos tipos de efetuadores. Entretanto, os classificamos em dois grandes grupos, os quais são categorizados devido sua aplicação, os efetuadores tipo garras ou então tipo ferramentas. Os efetuadores tipo garra são utilizados em aplicações que envolvem manipulação de peças. Podem ser garras mecânicas, magnetizadas, garras a vácuo entre outros. Já as ferramentas são empregadas em robôs com aplicações de fabricação ou processamento de peças e podem envolver diversos tipos, como pistolas de soldagem, pistolas de pintura pulverizada e brocas utilizadas em operações de fresamento. TEMA 3 – SISTEMAS DE CONTROLE E DE ACIONAMENTO DE ROBÔS Neste tema, abordaremos os sistemas de controle empregados nos robôs industriais, além disso, também trataremos dos tipos de acionamentos utilizados e suas características. 3.1 Sistemas de controle de robôs Para que um robô industrial desempenhe suas ações conforme a programação realizada, é importante que haja um sistema que controle seus movimentos e ações, assim como em todos sistema automatizado. Já estudamos em aulas anteriores sobre os tipos de sistemas de controle, porém, aqui, trataremos especificamente de controle de robôs. 8 Basicamente, o sistema de controle atua sobre as articulações do robô, possibilitando, assim, que os movimentos sejam coordenados e que o manipulador execute o ciclo de movimento programado. A Figura 2 representa a hierarquia de controle de um microcomputador que controla um robô industrial. Por meio desta, é possível observar que o controlador atua diretamente sobre as articulações, realizando um controle preciso dos movimentos do robô. Segundo Groover (2011), podemos classificar os controladores de robôs em quatro grupos: • Controle de sequência limitado: caracterizam o tipo mais simples de controle e é empregado para movimentos mais simples, como manipulação de peças. Não há um sistema de posicionamento preciso e a maioria é composta pelos os sistemas de controle da maior parte dos robôs pneumáticos. • Controle ponto a ponto: esses robôs apresentam um controle mais aprimorado em relação aos de sequência limitada. Possuem memória que grava a sequência de movimentos do ciclo de trabalho e os executa em pontos específicos definidos no programa de instrução. Além disso, é empregado o controle por realimentação para assegurar que as articulações estão nas posições que devem estar durante o ciclo de movimento. • Controle de percurso contínuo: esses robôs apresentam capacidades parecidas com os descritos anteriormente, se diferindo no tipo de movimento que executam. Nos robôs ponto a ponto, a trajetória não importa muito, pois cada ação é executada em ponto com coordenadas específicas, enquanto nos robôs de percurso contínuo o trajeto realizado pelo robô é importante, sendo que ele pode realizar alguma ação enquanto se movimenta. • Controle inteligente: com a evolução dos robôs, surgiram modelos cada vez mais capazes de agir de forma inteligente e independente. Nos robôs inteligentes, existe a capacidade de interação com o meio, além de tomada de decisões em casos de situações fora das condições especificadas. Além disso, podem se comunicar com pessoas, realizar cálculos durante ciclo de movimento e reagir a estímulos oriundos de sensores. 9 Figura 2 – Estrutura de controle hierárquico de um microcomputador controlador de robô Fonte: Elaborado com base em Groover, 2015. 3.2 Acionamentos de robôs industriais Os sistemas de acionamentos de robôs podem ser classificados de acordo com movimento, tipo de acionamento e forma de conexão. A seguir, trataremos com mais detalhes desses tipos de classificações. Quando falamos em classificação quanto ao tipo de movimento, é possível categorizá-los como drivers de rotação e drivers de deslizamento. Quando um driver de rotação é empregado, um motor realiza um movimento de rotação no eixo. Já um driver de deslizamento consiste no uso de um cilindro pneumático ou hidráulico que realiza movimento linear (Rosário, 2015). A classificação quanto à forma de conexão é dividida em direta e indireta e está relacionada com a posição do acionamento, quando o sistema de acionamento é instalado diretamente na articulação que ele vai atuar. Por outro lado, quando o sistema de acionamento é montado na base do robô, empregando elementos de transmissão, chamamos a conexão de indireta. Ambas conexões apresentam vantagens e desvantagens. Comparando a conexão indireta com a direta, temos a vantagem de diminuição de peso do braço, uma vez que o sistema de acionamento é instalado na base. No entanto, na conexão indireta, existe uma falta de precisão de operação, pois dispositivo de transferência com liberdade mecânica. O tipo de acionamento é algo que dever ser considerado com critério essencial, por isso, vamos estudá-lo com mais detalhes. 10 3.2.1 Tipos de acionamentos São definidos pela maneira que a energia é transformada em acionamento, podendo ser elétrico, hidráulico e pneumático. Anteriormente, estudamos os tipos de atuadores, que também eram elétricos, hidráulicos e pneumático, e o conhecimento a respeito deles nos ajudará a caracterizarmos os acionamentos. Começaremos pelo acionamento elétrico, que é o mais utilizado na indústria. Isto ocorre devido a diversos fatores, porém, os principais sãoa conveniência em encontrar sua fonte de energia, seu controle preciso, a facilidade de manutenção e custos relativamente baixos. Esse tipo de acionamento é realizado por motores elétricos, que podem ser de corrente contínua, corrente alternada ou de passo. No acionamento hidráulico, é empregada uma unidade hidráulica formada por um motor de movimento rotativo e um cilindro para a realização de movimentos lineares. A unidade hidráulica realiza a compressão de fluídos que provocarão o movimento dos pistões. A precisão deste acionamento é inferior ao elétrico, porém ainda é maior que no pneumático. Além disso, é capaz de lidar com aplicações que envolvem cargas pesadas. Quando falamos de acionamento pneumático, sua unidade pneumática possui os mesmos elementos de uma hidráulica, diferenciando apenas no tipo de elemento que é comprimido, ou seja, neste tipo de acionamento, em vez de utilizarmos um fluído, empregamos ar comprimido. Não apresentam tanta precisão quanto os demais acionamentos já mencionados, porém, possuem velocidade. Sendo assim, são empregados no acionamento de garras, além de possuir custos atrativos. TEMA 4 – APLICAÇÕES DE ROBÔS INDUSTRIAIS A utilização dos robôs industriais tem crescido no mundo todo, desde sua primeira utilização em 1961, na qual um robô foi empregado na operação de descarregamento de moldes de uma máquina de fundição (Groover, 2011). Já discutimos no tema 1 sobre as condições que levam as indústrias a substituir o trabalho humano por um robô, porém, aqui trataremos com mais detalhes. O setor da indústria que lidera o percentual de atuação dos robôs é o automobilístico. Segundo Rosário (2005), o percentual de atuação dos sistemas automatizados é de 90%. Isso faz com que o cenário da formação dos 11 profissionais que trabalham nas indústrias seja também alterado, uma vez que o operador não possui somente a função de operar uma máquina, sendo necessário capacidade de interpretar as informações fornecidas pelas interfaces de comunicações e interação com os sistemas de controle e supervisão e, em alguns casos, conhecimentos sobre a programação dessas máquinas. Devido aos impactos sociais gerados por uma substituição em massa dos postos de trabalhos por robôs, deve-se priorizar a substituição em condições que envolvam ambientes ou condições que ofereçam riscos aos humanos, como: • Trabalho inseguro para pessoas; • Ciclos de trabalho com alta repetibilidade de ações; • Tarefas de difícil manipulação, como cargas pesadas; • Operações em múltiplos turnos; • Operações com alta precisão ou de rigoroso controle de qualidade. No geral, os robôs industriais desempenham basicamente dois grupos de operações, sendo estas a manipulação de materiais e as operações de processamento. A seguir, discutiremos essas categorias de aplicações. 4.1 Aplicações de manipulação de materiais Em aplicações que envolvem a manipulação de materiais, os robôs realizam operações de movimentar peças ou materiais de um lugar para outro. Para tal função, são empregados efetuadores tipo garra, os quais estudamos no tema 2 desta aula. As garras devem ser projetadas levando em consideração as características da peça a ser manipulada, como tamanho e material que a compõe. Além disso, podemos subdividir as aplicações de manipulação em: transferência de materiais e carga/descarga de uma máquina (Groover, 2011). A transferência de material consiste em pegar uma peça de um lugar e reposicioná-la em outro. Essa função é simples e pode ser feita empregando um robô de sequência limitada, por exemplo. No entanto, também podem envolver operações mais complexas, como a paletização, sendo que o robô precisa localizar o objeto em um depósito, por exemplo, realizar a transferência deste para o palete e dispor os objetos sobre o palete de maneira organizada. 12 Além da paletização, operações de despaletização e empilhamento são comuns nessas aplicações. Exigindo também robôs mais robustos e com melhor precisão, como os utilizados na paletização. Outras aplicações envolvem carga e/ou descarga de máquinas, podendo ser de três formas possíveis: • Carga de máquinas: nesse caso, o robô carrega as peças para dentro da máquina, e a retirada destas é realizada de outra forma. • Descarga de máquinas: a matéria-prima é carregada sem o robô, sendo que este realiza apenas o processo de descarregamento da máquina. • Carga e descarga de máquinas: nessa configuração, ocorre o carregamento da máquina com uma peça bruta, ou então matéria-prima e, ao final do processo, o robô também realiza o descarregamento da peça finalizada. 4.2 Aplicações de operações de processamento As operações de processamento podem ser definidas como todas aquelas em que o robô executa um procedimento de processamento na peça, como: soldagem, furação ou fresamento. Para esses tipos de aplicações, é necessário que o efetuador seja uma ferramenta e não mais uma garra como visto anteriormente para aplicações de manipulação. Além disso, nesse tipo de operação, o robô precisa manejar a ferramenta para executar o ciclo de trabalho. Nesse cenário, pode ocorrer de o robô precisar empregar mais de uma ferramenta no processo, sendo assim, as ferramentas dele podem ser substituídas para as demais etapas do processo. TEMA 5 – PROGRAMAÇÃO DE ROBÔS Outro aspecto muito importante de ser discutido quando estudamos os robôs industriais é a sua programação. Como já tratado durante esta aula, a grande vantagem dos robôs está na sua flexibilidade de uso e capacidade de executar diferente tarefas. No entanto, para que um robô seja utilizado em diferentes tipos de operações, ele precisa ser reprogramado de acordo com a necessidade da nova operação. Conforme Rosário (2015), é fundamental poder realizar a programação do robô sem que ocorra a interrupção do ciclo de produção no qual este se encontra inserido. 13 Sem dúvida, essa capacidade de se adaptar a novas funções e a novas linhas de produção automatizada faz com que seja caracterizada uma das principais vantagens do robô industrial. Aliando a uma vasta gama de possíveis movimentos que um robô pode executar com sua capacidade de reprogramação para execução de novas tarefas, pode-se empregá-lo na maioria dos processos de produção dentro de uma indústria (Trostmann, 1992). Segundo Santos (2015), podemos dividir a programação de robôs em dois grupos, os quais são: • Direta: neste tipo de programação, o próprio manipulador do robô é utilizado para que o sistema armazene as coordenadas dos movimentos que serão empregadas no processo. • Indireta: já na programação indireta, o manipulador não precisa ser empregado, o processo de programação é realizado então em outro dispositivo. Na sequência, o programa de instruções é transferido ao robô. A substituição do método direto vem diminuindo ao passar dos anos, sendo cada vez mais empregado os métodos indiretos. Se voltarmos à ideia de um robô atuando em ambientes insalubres, o meio mais seguro de programá-lo seria por métodos indiretos. A seguir, discutiremos sobre cada um dos métodos de programação. 5.1 Programação guiada A programação guiada, também conhecida como ensinada, é considerada como uma aprendizagem ponto a ponto. Neste tipo de programação, o robô é ensinado por meio da movimentação do seu manipulador, ou seja, a cada movimento realizado por este, é gravado a posição na memória do sistema. Com isso, ao final do processo, o robô saberá a sequência de movimentos que ele precisará executar para realizar o processo. A maior vantagem desse tipo de programação consiste em ser facilmente executada pelo operador no chão de fábrica, não necessitando de vasto conhecimento na área de programação. Enquanto sua principal desvantagem é o tempo que o robô necessita ficar parado, durante o processo de programação.14 5.2 Linguagens de programação Com a evolução dos computadores digitais, as linguagens de programação de robôs passaram a ser mais empregadas. Por meio das linguagens também é possível escrever programas mais complexos, que envolvem decisões lógicas, por exemplo. O grande problema quanto às linguagens é que ainda não ocorreu uma padronização destas, como no caso dos controladores lógicos programáveis. Sendo assim, cada fabricante desenvolve a sua linguagem de programação. 5.3 Programação off-line A grande vantagem da programação off-line é que todo processo de programação é realizado em um software, que permite inclusive realizar simulações do programa de instruções implementado. Sendo possível verificar como será o funcionamento da atuação do robô, corrigindo possíveis erros. Nesse sentido, é empregada a simulação gráfica para validar os programas e não ocorre a necessidade de parar o robô para testar a programação. Embora tenha todos esses pontos positivos, esse tipo de programação não é perfeito, sendo possível que ainda ocorram problemas que requeiram ajustes no programa. 15 REFERÊNCIAS GROOVER, M. Automação industrial e sistemas de manufatura. 3. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2011. INTERNATIONAL Organization for Standardization. ISO 10218-1: Robots and robotic devices – Safety requirements for industrial robots. Suíça, 2011. ROSÁRIO, J. M. Princípios de mecatrônica. São Paulo: Prentice Hall, 2005. SANTOS, W. E. dos; GORGULHO JÚNIOR, J. H. C. Robótica Industrial: Fundamentos, Tecnologias, Programação e Simulações. 1. ed. São Paulo: Érica, 2015. TROSTMANN, E. et al. Robot off-line programming and simulation as a true CIME subsystem. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1992.
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