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Automação da Manufatura Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Prof. Dr. Silvio Szafir Revisão Textual: Prof.a Dr.a Rosemary Toffoli Robôs Industriais e Robótica • Robôs Industriais e Robótica; • Conclusão. · Conhecer os tópicos da área de robótica, com foco no robô industrial e a sua aplicação na automação da manufatura. OBJETIVO DE APRENDIZADO Robôs Industriais e Robótica Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional, siga algumas recomendações básicas: Assim: Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e horário fixos como seu “momento do estudo”; Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo; No material de cada Unidade, há leituras indicadas e, entre elas, artigos científicos, livros, vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você também encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados; Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discus- são, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de aprendizagem. Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Determine um horário fixo para estudar. Aproveite as indicações de Material Complementar. Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma Não se esqueça de se alimentar e de se manter hidratado. Aproveite as Conserve seu material e local de estudos sempre organizados. Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias! Isso amplia a aprendizagem. Seja original! Nunca plagie trabalhos. UNIDADE Robôs Industriais e Robótica Para contextualizar o tema tratado na nossa unidade III, da disciplina de Automação da Manufatura, é sugerido que o aluno assista ao vídeo GetInside na Intel 45nm Chip Factory, da empresa Intel, de 2007. No vídeo, é apresentada a instalação da fábrica de semicondutores com tecnologia de 45nm e poderá o espectador observar a utilização de vários sistemas de robótica e de automação da manufatura. Apesar de tratar-se de um vídeo de 2007, já com 5 anos de tecnologia aplicada, o vídeo permite mostrar a sofisticação que envolve uma moderna manufatura de semicondutores e sua forma de operar. Sendo a Intel a empresa número 1 em desempenho e tecnologia no mundo moderno, será possível observar como é uma fábrica desse tipo, aqueles aspectos que antes eram considerados apenas de ficção científica no passado, para concluir como é a automação da manufatura do século 21. A seguir o endereço (link) para acessar o filme indicado. GetInside na Intel 45nm Chip Factory http://youtu.be/PecKlm6VutU Fica a sugestão que o aluno observe com bastante atenção o filme e anote todos os tipos de robôs, que aparecem em operação fabril nessa planta manufatureira de semicondutores da Intel. Bom trabalho a todos! Contextualização 8 9 Para contextualizar o tema tratado na nossa unidade III, da disciplina de Automação da Manufatura, é sugerido que o aluno assista ao vídeo GetInside na Intel 45nm Chip Factory, da empresa Intel, de 2007. No vídeo, é apresentada a instalação da fábrica de semicondutores com tecnologia de 45nm e poderá o espectador observar a utilização de vários sistemas de robótica e de automação da manufatura. Apesar de tratar-se de um vídeo de 2007, já com 5 anos de tecnologia aplicada, o vídeo permite mostrar a sofisticação que envolve uma moderna manufatura de semicondutores e sua forma de operar. Sendo a Intel a empresa número 1 em desempenho e tecnologia no mundo moderno, será possível observar como é uma fábrica desse tipo, aqueles aspectos que antes eram considerados apenas de ficção científica no passado, para concluir como é a automação da manufatura do século 21. A seguir o endereço (link) para acessar o filme indicado. GetInside na Intel 45nm Chip Factory http://youtu.be/PecKlm6VutU Fica a sugestão que o aluno observe com bastante atenção o filme e anote todos os tipos de robôs, que aparecem em operação fabril nessa planta manufatureira de semicondutores da Intel. Bom trabalho a todos! Atualmente, é difícil não imaginar uma planta de manufatura automatizada onde não existam robôs aplicados ao seu conjunto de automação da manufatura. Na nossa primeira unidade, visualizamos vídeos de fabricantes da linha automotiva onde robôs são empregados em suas linhas de manufatura de veículos, com aplicações como a deposição de cola no vidro, soldagem do monobloco da carroceria do veículo entre outras aplicações de produção e montagem. Nesta Unidade da disciplina de Automação da Manufatura, vamos tentar resumir e discutir um pouco dos robôs industriais e da área de robótica, nos seguintes aspectos: 1. Definição de robôs; 2. Componentes da estrutura mecânica de robôs industriais; 3. Campos de aplicações de robôs industriais; 4. Componentes do sistema de controle e sensoriamento de robôs industriais; 5. Tópicos da cinemática de robôs; 6. Tópicos do planejamento da trajetória de robôs industriais; 7. Tópicos sobre a programação de robôs industriais. Há diversas definições formais de robô, o que não é de estranhar-se uma vez que os robôs e a robótica continuam sendo uma área em constante e permanente evolução que pertence e ao mesmo tempo pode incluir a área de automação. Dito isso, atualmente é comum considerar o robô uma área da automação industrial. Ou seja, ao menos os robôs manipuladores, os braços robóticos, industriais e os robôs móveis que são inseridos em processos industriais. Com o avanço da tecnologia e a migração dos robôs e a robótica em áreas antes discutidas apenas na ficção científica, como aplicações de robôs companheiros e robôs cirúrgicos, entre outras aplicações modernas dos robôs, fica então a pergunta: Qual a definição de robô? Robôs Industriais e Robótica Defi nição de robô 9 UNIDADE Robôs Industriais e Robótica Para responder a esta pergunta, vou utilizar e citar algumas definições e como elas estabelecem um universo, mais ou menos restrito da visão da aplicação do robô sob a óptica da automação da manufatura, ou aplicação industrial da robótica. 1. Segundo a AFRI (Association Française de Robotique Industrielle): manipuladores modestos, efetuando automaticamente sequências de trabalho variáveis, ou mesmo fixas, devem ser denominados robôs. E mais ainda, a robótica deve englobar todas as novas adaptações em máquinas conhecidas e todas as máquinas desenvolvidas com base na utilização de técnicas modernas de controle, da informática e de novos sensores. Assim, podemos visualizar os robôs industriais como sendo definidos como máquinas que conjugam a polivalência dos telemanipuladores e o elevado grau de automatismo das máquinas de controle numérico. Além disso, devem ter um grau de adaptabilidade que permita sua atuação numa vizinhança complexa e evolutiva, substituindo ou ampliando funções de ação do homem, constituindo um meio de produção extremamente versátil. Então, vale perguntar e sugerir uma pesquisa: Há no mercado alguma máquina que se enquadre nessa definição? 2. O Robot Institute of America (RIA) deu uma definição menos restritiva, substituindo a noção de adaptação pela noção de reprogramação: “Um robô industrial é um manipulador multifuncional e reprogramável, concebido para mover cargas, peças, ferramentas, ou dispositivos especiais,segundo movimentos programados variáveis, para a execução de diversas tarefas”. 3. O JIRA (Japan Industrial Robot Association) dá uma definição, mesmo que restritiva, distinguindo os seguintes tipos de robôs industriais: robôs sequenciais (sequência fixa e sequência variável); robôs de ciclos programáveis (por aprendizagem e por linguagem); robôs inteligentes. Estes últimos são máquinas ou agrupamento de máquinas capazes de se adaptar as modificações de ambiente mediante sistemas evoluídos de controle, percepção, comunicação e decisão. 10 11 Para responder a esta pergunta, vou utilizar e citar algumas definições e como elas estabelecem um universo, mais ou menos restrito da visão da aplicação do robô sob a óptica da automação da manufatura, ou aplicação industrial da robótica. 1. Segundo a AFRI (Association Française de Robotique Industrielle): manipuladores modestos, efetuando automaticamente sequências de trabalho variáveis, ou mesmo fixas, devem ser denominados robôs. E mais ainda, a robótica deve englobar todas as novas adaptações em máquinas conhecidas e todas as máquinas desenvolvidas com base na utilização de técnicas modernas de controle, da informática e de novos sensores. Assim, podemos visualizar os robôs industriais como sendo definidos como máquinas que conjugam a polivalência dos telemanipuladores e o elevado grau de automatismo das máquinas de controle numérico. Além disso, devem ter um grau de adaptabilidade que permita sua atuação numa vizinhança complexa e evolutiva, substituindo ou ampliando funções de ação do homem, constituindo um meio de produção extremamente versátil. Então, vale perguntar e sugerir uma pesquisa: Há no mercado alguma máquina que se enquadre nessa definição? 2. O Robot Institute of America (RIA) deu uma definição menos restritiva, substituindo a noção de adaptação pela noção de reprogramação: “Um robô industrial é um manipulador multifuncional e reprogramável, concebido para mover cargas, peças, ferramentas, ou dispositivos especiais, segundo movimentos programados variáveis, para a execução de diversas tarefas”. 3. O JIRA (Japan Industrial Robot Association) dá uma definição, mesmo que restritiva, distinguindo os seguintes tipos de robôs industriais: robôs sequenciais (sequência fixa e sequência variável); robôs de ciclos programáveis (por aprendizagem e por linguagem); robôs inteligentes. Estes últimos são máquinas ou agrupamento de máquinas capazes de se adaptar as modificações de ambiente mediante sistemas evoluídos de controle, percepção, comunicação e decisão. Nos robôs inteligentes, deve-se ter um certo grau de autonomia e, deve-se ainda, ser capaz de executar tarefas via interações com o ambiente. Estes robôs começam a aparecer, como o robô ASIMO da Honda, sendo pesquisado desde a década de 90. Ainda falando sobre definição, caberia perguntar: Quando robotizar? Sem responder a pergunta lançada, uma vez que exige, para cada processo industrial, ou automatizado, ou em vias de automatizar, um estudo de caso e uma análise, onde muitas vezes procura-se obter onde está o ganho no processo e na adoção de robôs; podemos comentar rapidamente, sobre a diferença da automação rígida, a solução manual e a automação flexível discutida em unidades anteriores, mas agora focada na robótica. A automação rígida, altamente especializada, consequentemente com alto grau de automatismo, só se justifica para a produção de grandes séries, da ordem de dezenas de milhares de peças. A automação rígida leva a atingir níveis de produtividade muito elevados, contudo sua versatilidade é nula. Para séries curtas, digamos séries de 50 peças ou, por exemplo, de algumas dezenas a algumas centenas de unidades, que necessitam a destreza e a inteligência humanas em numerosas intervenções no processo e, alias onde ainda existe um mercado enorme, mesmo tratando-se do setor metal-mecânico, a solução manual é adotada. Finalmente, quando a automação rígida não é economicamente viável e a solução manual não é tecnicamente aceitável então é requerido um equipamento de produção automatizado, porém flexível. Como, p.ex., é muitas vezes necessário aumentar a produtividade, diminuir o preço, tendo aumentado simultaneamente a qualidade e a homogeneidade dos produtos manufaturados. Dessa forma pode-se dizer que o investimento será amortizado nas séries curtas e médias, dos vários produtos fabricados pelo mesmo equipamento, mediante simples reprogramação. É na automação flexível que a robótica encaixa-se, através do conjunto de tecnologias que caracterizam a robótica industrial. Na automação flexível, os sistemas podem ainda ser diferenciados por níveis, em função do número de operações básicas do processo produtivo que eles 11 UNIDADE Robôs Industriais e Robótica englobam, podendo ir de um sistema simples como uma célula flexível de manufatura (Flexible Manufacturing System, FMS), para montagem, usinagem, soldagem, pintura, inspeção, ensaios etcetera, passando por diferentes níveis de integração, indo até o sistema de produção automatizado e integrado por computador (Computer Integrated Manufacturing, CIM). Finalmente podemos concluir que a definição oficial adotada pela Associação das Indústrias de Robótica (RIA)é a seguinte: “Um robô industrial é um manipulador reprogramável, multifuncional, projetado para mover materiais, peças, ferramentas ou dispositivos especiais em movimentos variáveis programados para a realização de uma variedade de tarefas” O comitê que rege a norma ISO para robôs e dispositivos robóticos é TC 184/SC 2(http://www.iso.org). Dica: Para conhecer mais sobre robôs e o mercado de robótica atual, acesse o portal da RIA Robotics OnLine em: http://www.robotics.org. Dica: Para conhecer a definição adotada para robôs industriais e sistemas de segurança de robôs do Departamento de Trabalho dos EUA, consulte o endereço: https://goo.gl/M6vspQ 12 13 englobam, podendo ir de um sistema simples como uma célula flexível de manufatura (Flexible Manufacturing System, FMS), para montagem, usinagem, soldagem, pintura, inspeção, ensaios etcetera, passando por diferentes níveis de integração, indo até o sistema de produção automatizado e integrado por computador (Computer Integrated Manufacturing, CIM). Finalmente podemos concluir que a definição oficial adotada pela Associação das Indústrias de Robótica (RIA)é a seguinte: “Um robô industrial é um manipulador reprogramável, multifuncional, projetado para mover materiais, peças, ferramentas ou dispositivos especiais em movimentos variáveis programados para a realização de uma variedade de tarefas” O comitê que rege a norma ISO para robôs e dispositivos robóticos é TC 184/SC 2(http://www.iso.org). Dica: Para conhecer mais sobre robôs e o mercado de robótica atual, acesse o portal da RIA Robotics OnLine em: http://www.robotics.org. Dica: Para conhecer a definição adotada para robôs industriais e sistemas de segurança de robôs do Departamento de Trabalho dos EUA, consulte o endereço: https://goo.gl/M6vspQ É muito comum, no imaginário popular, quando imaginamos um robô, o imaginamos a imagem de nós mesmos, do homem. É um antropomorfismo, ou um robô antropomórfico. Figura: robô – androide. Fonte: iStock/Getty Images Ele deve ter braços e pernas; deve ser sensitivo ao tato, visão, força, som, entre outros; e se possível inteligência para, além de conversar conosco, solucionar eventuais problemas que possam surgir como obstáculo a sua programação prévia. Na verdade, estes tipos de robôs mais comuns na ficção científica e, ultimamente, aparecendo como protótipos das grandes indústrias, é comum receber o nome de . andróide Na realidade um robô de verdade não é bem assim, se bem que quanto mais a mecânica fina de precisão e a eletrônica evoluem mais os robôs estão tomando a nossa feição e passando a receber uma “inteligência própria”. Esse tipo de robô na indústria (ou na pesquisa) é mais conhecido comorobô humanoide. Muitas definições já foram sugeridas para o que nós chamamos de robô. A palavra robô pode conjugar vários níveis de sofisticação tecnológica, variando desde um dispositivo simples de transferência de material até uma avançada máquina antropomórfica de ficção cientifica. Andróide adjm+f (andro+óide) Semelhante ao homem.sm Autômato com figura de homem e que imita os movimentos dos seres animados. Sin: antropopiteco. Disponível em: <http://michaelis.uol.com.br>. Acessado em Julho/2012. Componentes da Estrutura Mecânica de Robôs Industriais 13 UNIDADE Robôs Industriais e Robótica A imagem sobre robôs varia bastante para pesquisadores, engenheiros, fabricantes de robôs e povos diferentes. Porém, hoje é bastante aceito que os robôs industriais contemporâneos se originaram a partir da invenção do dispositivo programável de transferência de material de, em 1954, desenvolvido por Geoge C. Devol. Devol patenteou uma máquina para transferência de peças, e também dele surgiu o conceito de ensinar e reproduzir (teach/playback) através de programação as ações para controlar o dispositivo. Dica: você pode obter mais detalhes sobre a história da robótica e dos robôs industriais através do texto (arquivo PDF) no endereço a seguir: https://goo.gl/SzeG71 Os robôs industriais seguem este conceito porque são projetados para executar (reproduzir) certo conjunto de tarefas previamente ensinadas. Por exemplo, os robôs para soldagem. Eles normalmente são braços articulados chamados de manipulador programável, que mediante programação específica associada com acessórios adequados executam uma série de tarefas repetitivas com precisão. Figura: robô industrial. Fonte: iStock/Getty Images 14 15 A imagem sobre robôs varia bastante para pesquisadores, engenheiros, fabricantes de robôs e povos diferentes. Porém, hoje é bastante aceito que os robôs industriais contemporâneos se originaram a partir da invenção do dispositivo programável de transferência de material de, em 1954, desenvolvido por Geoge C. Devol. Devol patenteou uma máquina para transferência de peças, e também dele surgiu o conceito de ensinar e reproduzir (teach/playback) através de programação as ações para controlar o dispositivo. Dica: você pode obter mais detalhes sobre a história da robótica e dos robôs industriais através do texto (arquivo PDF) no endereço a seguir: https://goo.gl/SzeG71 Os robôs industriais seguem este conceito porque são projetados para executar (reproduzir) certo conjunto de tarefas previamente ensinadas. Por exemplo, os robôs para soldagem. Eles normalmente são braços articulados chamados de manipulador programável, que mediante programação específica associada com acessórios adequados executam uma série de tarefas repetitivas com precisão. Figura: robô industrial. Fonte: iStock/Getty Images Mas, de certa forma, podemos colocar duas grandes categorias de robôs industriais: eles podem ser do tipo robô manipulador antropomórfico, ou pode ser um robô do tipo móvel. A combinação dos dois tipos também é possível. Figuras: robôs industriais e de serviços. Fonte: iStock/Getty Images Tradicionalmente, a estrutura dos robôs é apresentada na literatura técnica como: Os robôs são constituídos basicamente por elos e juntas. Constituição dos Robôs 15 UNIDADE Robôs Industriais e Robótica As juntas podem ser prismáticas ou rotacionais. junta rotacional (R) junta prismática (P) Os elos são construídos com metais de boa rigidez e que, de preferência, possuam pouco peso. Na figura a seguir, observamos um esboço de um braço robotizado se movimentando, onde podemos observar duas juntas rotacionais, uma na base do robô que segura o braço e outra que liga o braço ao antebraço. De acordo com o tipo de junta usada na construção do braço robotizado, podemos classificá-los em quatro tipos básicos. Tipos de Robôs 16 17 As juntas podem ser prismáticas ou rotacionais. junta rotacional (R) junta prismática (P) Os elos são construídos com metais de boa rigidez e que, de preferência, possuam pouco peso. Na figura a seguir, observamos um esboço de um braço robotizado se movimentando, onde podemos observar duas juntas rotacionais, uma na base do robô que segura o braço e outra que liga o braço ao antebraço. De acordo com o tipo de junta usada na construção do braço robotizado, podemos classificá-los em quatro tipos básicos. Cartesiano: é formado apenas por juntas prismáticas e seu volume de trabalho resultante é um prisma quadrado ou retangular. São robôs mais simples de montar e controlar. Cilíndrico: possuindo juntas prismáticas e uma junta rotacional. O volume de trabalho resultante é na forma de um cilindro. Polar ou Esférico: possui duas juntas rotacionais, que associadas formam um volume esférico, associado com junta prismática. São robôs muito comuns em atividades de carga e descarga de prensas industriais etc. Articulado: possui dois tipos: horizontal ou vertical, de acordo com seu projeto. É o mais flexível das quatro configurações e pode variar o número de juntas rotacionais e prismáticas na sua constituição. Robô articulado IntelitekScorbotER-V+ com 5 graus de liberdade Fonte: Divulgação SCARA: Braço de deslocamento seletivo para montagem robotizada (Selective Complieance Arm for Robotic Assembly) é um tipo de robô muito usado para montagem de peças e na indústria de semicondutores, dado o seu tamanho reduzido e sua excelente repetibilidade. Pórtico: Trata-se de um sistema do tipo portal, robusto, como o próprio nome indica, na forma de um pórtico ou estrutura prismática que basicamente pode ser um robô do tipo cartesiano (p.ex. similar ao conceito de máquina do tipo fresa) de grande porte. Como pode ser também um dispositivo para acomodar e transladar um robô manipulador (braço robótico) que move-se cartesianamente no espaço do pórtico. No caso do robô ser conectado num sistema pórtico dessa forma, ele é conhecido como do tipo Gantry. 17 UNIDADE Robôs Industriais e Robótica Dica: você pode observar a operação e modelos de robôs pórticos e do tipo Gantry no endereço a seguir: https://goo.gl/pv67h3 Um robô possui um envelope (contorno do seu alcance máximo) ou área de trabalho, que determina através de seus movimentos o seu volume de trabalho. Na figura a seguir é possível observar a área (volume) de trabalho do robô do tipo articulado Intelitek ER-V+. Figura: Robô ScorbotER-V+. Crédito: Manual do Usuário Scorbot ER-V+, Intelitek. Na figura a seguir é possível observar as diferenças entre o alcance máximo, a área de restrição do alcance que o robô possui e, finalmente, o contorno do alcance de operação do robô, segundo as normas de robótica industrial. Área e Volume de Trabalho de um Robô 18 19 Dica: você pode observar a operação e modelos de robôs pórticos e do tipo Gantry no endereço a seguir: https://goo.gl/pv67h3 Um robô possui um envelope (contorno do seu alcance máximo) ou área de trabalho, que determina através de seus movimentos o seu volume de trabalho. Na figura a seguir é possível observar a área (volume) de trabalho do robô do tipo articulado Intelitek ER-V+. Figura: Robô ScorbotER-V+. Crédito: Manual do Usuário Scorbot ER-V+, Intelitek. Na figura a seguir é possível observar as diferenças entre o alcance máximo, a área de restrição do alcance que o robô possui e, finalmente, o contorno do alcance de operação do robô, segundo as normas de robótica industrial. Figura: área (volume) de trabalho de um robô (manipulador) industrial Fonte: osha.gov Esse tipo de especificação faz parte do catalogo e da folha-de-dados (prospecto, datasheet) de um robô industrial comercial. O volume de trabalho de um robô industrial pode ser observado na figura a seguir. Figura: Robô Yaskawa Motoman SDA10D Fonte: Divulgação 19 UNIDADE Robôs Industriais e Robótica Os tipos de robôs que foram apresentados anteriormente fazem parte da definiçãoda International Federation of Robotics(IFR), onde o volume de trabalho que dá nome ao robô pode ser observado na tabela a seguir: Cartesiano (e também o Pórtico) Cilíndrico Polar (ou esférico) Articulado SCARA Gantry Figura: Tabela de tipos de robôs industriais. Fonte: osha.gov 20 21 Os tipos de robôs que foram apresentados anteriormente fazem parte da definição da International Federation of Robotics(IFR), onde o volume de trabalho que dá nome ao robô pode ser observado na tabela a seguir: Cartesiano (e também o Pórtico) Cilíndrico Polar (ou esférico) Articulado SCARA Gantry Figura: Tabela de tipos de robôs industriais. Fonte: osha.gov Dica: Para conhecer mais sobre a definição oficial adotada pela Federação Internacional de Robótica (IFR) e definida na ISO 8373 para robôs industriais, consulte a página: https://goo.gl/S3ZUyr Dica: você pode conhecer mais sobre as definições de robótica acessando o portal da Federação Internacional de Robótica (International Federation of Robotics, IFR), no endereço a seguir: http://www.ifr.org/ Ainda falando sobre as estruturas dos robôs industriais, devemos comentar sobre o seu Efeito Terminal, da nomenclatura em língua inglesa endeffector. Efeito Terminal é o elemento de manipulação do objeto, ou tarefa fim, a que se propõe o uso do robô. Esses elementos dividem-se em duas categorias principais: ferramentas e garras. Como ferramentas, podemos citar: ventosas de sucção, elemento de solda a arco, elemento de soldagem, elemento de aplicação de cola, elemento de aplicação de pintura entre outros. Como garras podemos citar pinças de dois dedos e outros tipos de garras desenvolvidas para uso em robôs. Figura: Pinça (Garra) de dois dedos instalados como efeito terminal no robô Motoman MH-6. Fonte: Acervo do Conteudista Efeito Terminal de um Robô 21 UNIDADE Robôs Industriais e Robótica Dica: você poderá saber mais sobre os tipos de efeito terminal e ferramentas para robôs e sistemas automáticos pesquisando o portal de fabricantes, como p.ex. o endereço a seguir do fabricante de RoboticEndEffectorsand Automation Tooling: http://www.ati-ia.com/ Hoje, os robôs exercem várias tarefas na indústria. Dentre as várias áreas de atuação dos robôs, sejam eles aplicados diretamente ao ambiente industrial, da manufatura e da transformação, ou da montagem e logística, ou da área de serviços, entre outros, podemos citar: Na indústria automobilística: soldagem elétrica a ponto e soldagem a arco colagem de vidros montagem de peças, como: o motor; a colocação da bateria usinagem, para retirada de rebarbas, do bloco do motor. Na indústria alimentícia: no empacotamento dos produtos no transporte e armazenamento de material e produtos. Na indústria metalúrgica: para a manipulação de fundidos usinagem, para retirada de rebarbas, nas peças fundidas no controle de qualidade, usando visão robótica. Na indústria de plásticos: na manipulação (retirada) das peças injetadas Na indústria de montagem: Usando robôs do tipo pick-and-place para montagem de produtos manufaturados. Campos de Aplicações de Robôs Industriais 22 23 Dica: você poderá saber mais sobre os tipos de efeito terminal e ferramentas para robôs e sistemas automáticos pesquisando o portal de fabricantes, como p.ex. o endereço a seguir do fabricante de RoboticEndEffectorsand Automation Tooling: http://www.ati-ia.com/ Hoje, os robôs exercem várias tarefas na indústria. Dentre as várias áreas de atuação dos robôs, sejam eles aplicados diretamente ao ambiente industrial, da manufatura e da transformação, ou da montagem e logística, ou da área de serviços, entre outros, podemos citar: Na indústria automobilística: soldagem elétrica a ponto e soldagem a arco colagem de vidros montagem de peças, como: o motor; a colocação da bateria usinagem, para retirada de rebarbas, do bloco do motor. Na indústria alimentícia: no empacotamento dos produtos no transporte e armazenamento de material e produtos. Na indústria metalúrgica: para a manipulação de fundidos usinagem, para retirada de rebarbas, nas peças fundidas no controle de qualidade, usando visão robótica. Na indústria de plásticos: na manipulação (retirada) das peças injetadas Na indústria de montagem: Usando robôs do tipo pick-and-place para montagem de produtos manufaturados. Alguns exemplos de produtos manufaturados por robôs: inserção de componentes tipoSMD (SurfaceMountedDevice) em placas eletrônicas, na montagem de cabos (chicotes)elétricos etc. Outras áreas de relevância que vale citar: Uso de robôs na medicina: Em cirurgias No auxilio a deficientes físicos Em próteses com tecnologia robótica Na área policial: desarme de bombas Na área de defesa civil: auxílio a vitimas de terremotos Na área petrolífera, com os robôs submarinos Na área nuclear, na manipulação de substâncias radioativas Na área aeroespacial, na manipulação de satélites e exploração de novos locais Na área acadêmica: A fusão da mecânica com a eletrônica, criando a mecatrônica, aliada com pesquisas de novos compostos de materiais para sensores, entre outros, faz com que exista muita pesquisas aplicada à robótica, nas áreas de eletrônica, mecânica, engenharia civil, computação etc., dentro das universidades. Robôs bípedes, colônias de robôs, robôs contra fogo, robôs para agricultura, inteligência artificial aplicada à robótica, são muitas áreas que os pesquisadores estão atuando. Voltando ao nosso uso industrial, vale citar que desde a década de 90, já no final do século 20, os analistas previam para a indústria que o futuro da robótica é imitar o ser humano (andróide),produzindo robôs que possuam capacidade de tomada de decisões e adaptabilidade ao seu meio, além de possuir a sensibilidade dos movimentos do ser humano. 23 UNIDADE Robôs Industriais e Robótica Robô YaskawaMotoman SDA10D Figura do catalogo do robô SDA10D. Cortesia da YaskawaMotoman do Brasil Fonte: Divulgação Dica: Para saber mais sobre esses tipos de robôs e seus projetos, acesse os seguintes locais e informações: Projeto COG originado (na década de 90 no MIT) para permitir uma estrutura robótica de aprendizado, onde o robô possa interagir com o ambiente. https://goo.gl/HxWC4R Robô humanoide ASIMO da empresa Honda http://asimo.honda.com/ Robô Yaskawa Motoman SDA10 https://goo.gl/TvHSR9 Vídeo [IREX 2011] Yaskawa MOTOMAN SDA 10D no portal YouTube https://youtu.be/tY61CBDXlxE 24 25 Robô YaskawaMotoman SDA10D Figura do catalogo do robô SDA10D. Cortesia da YaskawaMotoman do Brasil Fonte: Divulgação Dica: Para saber mais sobre esses tipos de robôs e seus projetos, acesse os seguintes locais e informações: Projeto COG originado (na década de 90 no MIT) para permitir uma estrutura robótica de aprendizado, onde o robô possa interagir com o ambiente. https://goo.gl/HxWC4R Robô humanoide ASIMO da empresa Honda http://asimo.honda.com/ Robô Yaskawa Motoman SDA10 https://goo.gl/TvHSR9 Vídeo [IREX 2011] Yaskawa MOTOMAN SDA 10D no portal YouTube https://youtu.be/tY61CBDXlxE O sistema que permite ao robô movimentar-se, realizar uma trajetória, executar uma tarefa e a sequência de passos de programação e tomar decisões baseadas em variáveis e valores adquiridos do meio de atuação e sensores dentro de seu ambiente de trabalho é o controlador do robô. Figura: Controlador Eshed Robotec(Intelitek) do robô Scorbot ER-V+. Fonte: Acervo do Conteudista Basicamente o controlador é constituído de duas partes principais: o sistema de alimentação, elemento importante para o correto fornecimento de energia ao sistema robótico e o sistema de controle propriamente dito, aquele computador dedicado e com sistemas de aquisição e controle de dados, que processa e efetivamente controla os movimentos do robô atuador e de seus periféricos associados. Figura: Tabela de tipos de robôs industriais. Fonte:osha.gov Componentes do Sistema de Controle de Robôs Industriais 25 UNIDADE Robôs Industriais e Robótica Na foto a seguir é possível observar o controlador DX100 da empresa Yaskawa Motomane também o dispositivo de ensino e programação Programming Pendantcomo é chamado pela empresa Yaskawa Motoman em sua documentação técnica. Figura: Controlador DX100 e Programming Pendant da YaskawaMotoman. Fonte: Acervo do Conteudista O sistema de programação de campo, conhecido na literatura como Teach Pendant, ou TeachPad é um dispositivo conectado ao controlador do robô que permite o seu controle manual, a gravação de pontos e a execução de rotinas, sem a necessidade de um sistema separado. Figura: Teach Pendant Intelitek (Eshed Robotec). Fonte: Acervo do Conteudista 26 27 Na foto a seguir é possível observar o controlador DX100 da empresa Yaskawa Motomane também o dispositivo de ensino e programação Programming Pendantcomo é chamado pela empresa Yaskawa Motoman em sua documentação técnica. Figura: Controlador DX100 e Programming Pendant da YaskawaMotoman. Fonte: Acervo do Conteudista O sistema de programação de campo, conhecido na literatura como Teach Pendant, ou TeachPad é um dispositivo conectado ao controlador do robô que permite o seu controle manual, a gravação de pontos e a execução de rotinas, sem a necessidade de um sistema separado. Figura: Teach Pendant Intelitek (Eshed Robotec). Fonte: Acervo do Conteudista A empresa Yaskawa Motoman em sua documentação técnica o chama de Programming Pendant. Figura: Programming Pendant da YaskawaMotoman. Fonte: Acervo do Conteudista O programming pendant é ligado ao controlador do robô através de um “cabo umbilical”, assim conhecido porque se trata de um cabo elétrico com transmissão de dados dos sinais de controle e alimentação do dispositivo ao controlador e que permite que o robô, também ligado através de outro cabo elétrico do tipo “cabo umbilical” possa ser movimentado no ambiente em que está devidamente instalado. A cinemática dos robôs lida com os seus movimentos e as leis que regem o seu controle da trajetória dos robôs industriais. Sejam eles robôs manipuladores, ou robôs móveis. Na cinemática há duas formas de controlar os robôs: através da cinemática direta e cinemática inversa. Na cinemática direta, controlamos cada uma das juntas e o efeito terminal do robô, ou o ponto central da ferramenta acoplada ao robô, conhecido como TCP (Tool Central Point) assume uma posição e orientação dentro do seu espaço de trabalho de acordo com a sua quantidade de graus de liberdade. Tópicos da Cinumática de Robôs 27 UNIDADE Robôs Industriais e Robótica Na cinemática inversa, ao escolhermos um ponto no espaço 3D e uma orientação para o TCP do robô, o controlador do robô passa então a calcular em tempo real todos os valores (os pulsos e ângulos) necessários para que cada atuador (servo motor) associado a cada junta do robô e aos seus graus-de- liberdade assume naquele momento para alcançar o ponto pré-definido. O movimento direto não necessita necessariamente de um modelo matemático do robô que é controlado. Bastando o avanço e retrocesso, via sistema de controle, dos atuadores associados aos graus-de-liberdade do robô. Já a cinemática inversa depende de um modelo matemático desenvolvido para aquele modelo do robô, que depende suas dimensões, tipos de juntas e também da dinâmica dos seus movimentos, baseado nos seus motores etc. Esse modelo é associado a um algoritmo de controle onde posições que sejam proibidas de serem alcançadas e singularidades do modelo sejam desconsideradas durante a trajetória do robô. Graus-de-liberdade é o nome dado para a quantidade de movimento e articulações (juntas, eixos) que o robô pode assumir. Esse termo é oriundo de Degrees-of-Freedom (DoF), na língua inglesa, como é conhecido na literatura da área e utilizado nos catálogos e folhas-de-dados de especificação dos robôs industriais. Imagine se movimentando sobre uma linha reta pintada numa superfície (plano) onde você encontra-se de pé, caminhando sobre os dois pés. Ao imaginar esse movimento, ou trajetória como chamamos na área de robótica, reparamos que nos movimentamos de um ponto inicial (p.ex. A) até um ponto final (p.ex. B), que chamamos de origem e destino, numa linha reta, ou como se diz na matemática, especificamente na geometria: a menor distância entre dois pontos no espaço. Um robô pode movimentar-se entre os pontos (pré-gravados) no espaço dentro de seu volume de trabalho com três tipos clássicos de controle de trajetória: ponto-a-ponto, controlada e contínua. Tópicos do Planejamento da Trajetória de Robôs Industriais 28 29 Na cinemática inversa, ao escolhermos um ponto no espaço 3D e uma orientação para o TCP do robô, o controlador do robô passa então a calcular em tempo real todos os valores (os pulsos e ângulos) necessários para que cada atuador (servo motor) associado a cada junta do robô e aos seus graus-de- liberdade assume naquele momento para alcançar o ponto pré-definido. O movimento direto não necessita necessariamente de um modelo matemático do robô que é controlado. Bastando o avanço e retrocesso, via sistema de controle, dos atuadores associados aos graus-de-liberdade do robô. Já a cinemática inversa depende de um modelo matemático desenvolvido para aquele modelo do robô, que depende suas dimensões, tipos de juntas e também da dinâmica dos seus movimentos, baseado nos seus motores etc. Esse modelo é associado a um algoritmo de controle onde posições que sejam proibidas de serem alcançadas e singularidades do modelo sejam desconsideradas durante a trajetória do robô. Graus-de-liberdade é o nome dado para a quantidade de movimento e articulações (juntas, eixos) que o robô pode assumir. Esse termo é oriundo de Degrees-of-Freedom (DoF), na língua inglesa, como é conhecido na literatura da área e utilizado nos catálogos e folhas-de-dados de especificação dos robôs industriais. Imagine se movimentando sobre uma linha reta pintada numa superfície (plano) onde você encontra-se de pé, caminhando sobre os dois pés. Ao imaginar esse movimento, ou trajetória como chamamos na área de robótica, reparamos que nos movimentamos de um ponto inicial (p.ex. A) até um ponto final (p.ex. B), que chamamos de origem e destino, numa linha reta, ou como se diz na matemática, especificamente na geometria: a menor distância entre dois pontos no espaço. Um robô pode movimentar-se entre os pontos (pré-gravados) no espaço dentro de seu volume de trabalho com três tipos clássicos de controle de trajetória: ponto-a-ponto, controlada e contínua. A trajetória ponto-a-ponto preocupa-se com a posição que o efeito terminal se encontra para pontos definidos pelo usuário; porém não interessa como deve ser o movimento do robô entre estes pontos. Este tipo de controle é muito usado em aplicações de solda a ponto e transferência de material. Figura: Programação dos pontos (posições) do robô industrial usando o Teach Pendant. Fonte: osha.gov A trajetória controlada é uma variação da trajetória continua e, um movimento de linha reta, por exemplo é uma trajetória do tipo controlada, uma vez que o robô deve assumir todos os pontos no espaço de sua trajetória para que sua movimentação, de todas as suas juntas (eixos) realizem a combinação final de um movimento de linha reta. Assim com comentado para a trajetória controlada, a trajetória contínua clássica preocupa-se com cada posição que o efeito terminal se encontra durante o movimento entre o ponto inicial e final do trajeto. Pintura por spray e solda a arco são aplicações onde este tipo de controle é usado. Também é possível na trajetória contínua armazenar os pontos no espaço, ao movimentar um robô manipulador. Por exemplo, no ensino de uma trajetória de pintura robótica, onde o controlador do robô captura continuamente todos os pontos utilizados pelo operador dentro de uma definição da amostragemdo sistema e, que depois poderá reproduzir continuamente esses pontos armazenados. 29 UNIDADE Robôs Industriais e Robótica Figura: Programação através do armazenamento dos pontos percorridos. Fonte: osha.gov Basicamente há duas formas clássicas de programar robôs: off-line e on- line. Na programação on-line, o operador pode programar e executar o sistema do robô através do teach pendant (ou programming pendant) diretamente no local que o robô está instalado na área de manufatura. Na programação off-line, o operador pode utilizar pontos previamente gravados no sistema do robô através do teach pendant no local que o robô encontra-se instalado na área de manufatura e, utilizar esses pontos para definir as trajetórias e decisões que o programa do robô deverá executar. A figura a seguir apresenta um extrato do código da movimentação de um robô industrial entre dois pontos previamente gravados no sistema. Figura: Linguagem de programação do robô industrial no Programming Pendant. Crédito: gerado pelo autor Tópicos sobre a Programação de Robôs Industriais 30 31 Figura: Programação através do armazenamento dos pontos percorridos. Fonte: osha.gov Basicamente há duas formas clássicas de programar robôs: off-line e on- line. Na programação on-line, o operador pode programar e executar o sistema do robô através do teach pendant (ou programming pendant) diretamente no local que o robô está instalado na área de manufatura. Na programação off-line, o operador pode utilizar pontos previamente gravados no sistema do robô através do teach pendant no local que o robô encontra-se instalado na área de manufatura e, utilizar esses pontos para definir as trajetórias e decisões que o programa do robô deverá executar. A figura a seguir apresenta um extrato do código da movimentação de um robô industrial entre dois pontos previamente gravados no sistema. Figura: Linguagem de programação do robô industrial no Programming Pendant. Crédito: gerado pelo autor Um sistema de apoio e programação remoto, normalmente isolado numa sala com microcomputadores permite a construção e simulação do robô. Figura: Programação off-line. Fonte: osha.gov Nas últimas duas décadas, sistemas de simulação e programação off-line que fazem uso de simuladores com ambiente 3D de visualização e operação virtual do sistema do robô tornaram-se acessíveis e disponíveis ao operador e programador de robô industrial. O engenheiro de robótica pode utilizar também os dados oriundos de sistemas do tipo CAD/CAE de apoio ao projeto e a engenharia ao especificar e definir sistemas de robótica aplicados na manufatura. As figuras a seguir exemplificam esses sistemas: 31 UNIDADE Robôs Industriais e Robótica Sistema comercial FastSimu de simulação de robótica e operações de manufatura Sistema educacional Intelitek RoboCell de simulação de robótica e operações de manufatura Sistema virtual de simulação de robótica industrial MotoSimEGda Yaskawa Motoman 32 33 Sistema comercial FastSimu de simulação de robótica e operações de manufatura Sistema educacional Intelitek RoboCell de simulação de robótica e operações de manufatura Sistema virtual de simulação de robótica industrial MotoSimEGda Yaskawa Motoman Dica: Para saber mais sobre simuladores fica a seguir a sugestão de 3 vídeos disponíveis no YouTube usando o sistema FastSimu:: Deburring simulation (Off-line programming) with Visual Components http://youtu.be/a4TVHTkdVPY Painting simulation (Off-line programming) with Visual Components http://youtu.be/YTf99yODUmE Spotwelding simulation (Off-line programming) with Visual Components http://youtu.be/hdUY2TtHXao Vale citar, como conclusão, que na biblioteca da instituição há um livro que discute todos os detalhes do robô industrial e da robótica aplicada na manufatura: O manual da robótica industrial. O seu título original é Handbook of Industrial Robotics, de Shimon Y. Nof. Nele, o autor compilou diversos capítulos escritos e preparados por vários especialistas da área de robótica industrial. O prefácio desse manual de robótica industrial foi escrito por Isaac Asimov. Asimov, uma figura bastante conhecida na área de ficção científica, é nascido na Rússia, mas imigrou ainda criança para os Estados Unidos. Formado em química pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), quando criança era um ávido leitor e pesquisador dos títulos disponíveis na biblioteca municipal de Nova York, a cidade em que morava. Asimov foi um misto de escritor e cientista por vocação e tornou-se famoso através dos seus livros de ficção científica eda publicação de livros e artigos em jornais (p.ex. traduzido no jornal O Estado de São Paulo nas décadas de 1970 e 1980) e revistas - que Figura: Isaac Asimov Fonte: Wikimedia Commons Conclusão 33 UNIDADE Robôs Industriais e Robótica explicavam de forma simples sobre as novas descobertas, sobre as ciências, etc na época em que viveu. Na década de 1940 é contado que, a partir das histórias de ficção e robótica contadas pelo estudante Asimov aos demais, no MIT, acabou estimulando outro estudante que o ouvia, do curso de engenharia elétrica, a dominar os recém avanços de sistemas de controle. Esse estudante é Joseph Engelberger, que anos mais tarde iria juntar-se a George C. Devol e juntos serem sócios na primeira empresa de robôs (Unimation) e criação do primeiro robô industrial, o Unimate, instalado numa planta da empresa GM (General Motors). O livro “Eu, Robô” de Asimov, lançado em 1950, marcou a história da robótica, quando apresentou as três leis da robótica. Asimov é o primeiro a fazer uso da palavra robot no inglês e foi ele quem enunciou as três leis que mais tarde foram aceitas por toda a comunidade científica e industrial como as três leis da robótica. Leis da robótica As três leis da robótica criadas por Isaac Asimov: 1ª Lei: Um robô não pode ferir um ser humano ou, por inação, permitir que um 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 isto conflite com a Primeira ou a Segunda Lei. 34 35 explicavam de forma simples sobre as novas descobertas, sobre as ciências, etc na época em que viveu. Na década de 1940 é contado que, a partir das histórias de ficção e robótica contadas pelo estudante Asimov aos demais, no MIT, acabou estimulando outro estudante que o ouvia, do curso de engenharia elétrica, a dominar os recém avanços de sistemas de controle. Esse estudante é Joseph Engelberger, que anos mais tarde iria juntar-se a George C. Devol e juntos serem sócios na primeira empresa de robôs (Unimation) e criação do primeiro robô industrial, o Unimate, instalado numa planta da empresa GM (General Motors). O livro “Eu, Robô” de Asimov, lançado em 1950, marcou a história da robótica, quando apresentou as três leis da robótica. Asimov é o primeiro a fazer uso da palavra robot no inglês e foi ele quem enunciou as três leis que mais tarde foram aceitas por toda a comunidade científica e industrial como as três leis da robótica. Leis da robótica As três leis da robótica criadas por Isaac Asimov: 1ª Lei: Um robô não pode ferir um ser humano ou, por inação, permitir que um 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 isto conflite com a Primeira ou a Segunda Lei. No portal do Departamento de Trabalho dos EUA, é possível obter informações e a definição adotada para robôs industriais e sistemas de segurança de robôs utilizados mundialmente. O endereço de acesso é: https://goo.gl/M6vspQ Você pode obter mais detalhes sobre a história da robótica e dos robôs industriais no texto (arquivo PDF) no endereço a seguir: https://goo.gl/8rbo7C Você poderá sabermais sobre os tipos de efeito terminal e ferramentas para robôs e sistemas automáticos pesquisando o portal de fabricantes. P.ex. o endereço a seguir: http://www.ati-ia.com/ Endereços (links) de alguns fabricantes mundiais de robôs industriais presentes no Brasil: Portal de robótica da ABB: https://goo.gl/TMGjr1 Portal de robótica da KukaRobotics: http://www.kuka-robotics.com/br/ Portal de robótica da YaskawaMotoman: http://www.motoman.com.br/ Boa pesquisa a todos! Depois de ler o material e informar-se sobre o assunto, vamos pôr em prática esses conhecimentos nas atividades! Bom trabalho! Material Complementar 35 UNIDADE Robôs Industriais e Robótica AGUIRRE L. A. Enciclopédia de Automática: Controle e Automação. Volumes 1, 2 e 3. São Paulo, Edgard Blucher, 2007. GROOVER, M. P. Automação Industrial e Sistemas de Manufatura. 3ª Ed, São Paulo, Pearson, 2011. GROOVER, M.P. Robótica: Tecnologia e Programação. São Paulo, McGrawHill, 1989. MOTOMAN Robótica do Brasil. Treinamento Especializado de Programação Básica e Intermediária de Robôs Motoman para Controladores DX100. São Paulo, Motoman, 2011. NOF, S. Y. Handbook of Industrial Robotics, EUA, Wiley, 2a Ed. 1999. ROSÁRIO, J.M. Principios de Mecatrônica. São Paulo, Pearson, 2005. ROMANO, V.F. Robótica Industrial. 1ª Ed, São Paulo, Edgard Blucher, 2002. SZAFIR, S. Robótica Educacional. Rio de Janeiro, Biblioteca Nacional, 1997. Referências 36 AGUIRRE L. A. Enciclopédia de Automática: Controle e Automação. Volumes 1, 2 e 3. São Paulo, Edgard Blucher, 2007. GROOVER, M. P. Automação Industrial e Sistemas de Manufatura. 3ª Ed, São Paulo, Pearson, 2011. GROOVER, M.P. Robótica: Tecnologia e Programação. São Paulo, McGrawHill, 1989. MOTOMAN Robótica do Brasil. Treinamento Especializado de Programação Básica e Intermediária de Robôs Motoman para Controladores DX100. São Paulo, Motoman, 2011. NOF, S. Y. Handbook of Industrial Robotics, EUA, Wiley, 2a Ed. 1999. ROSÁRIO, J.M. Principios de Mecatrônica. São Paulo, Pearson, 2005. ROMANO, V.F. Robótica Industrial. 1ª Ed, São Paulo, Edgard Blucher, 2002. SZAFIR, S. Robótica Educacional. Rio de Janeiro, Biblioteca Nacional, 1997.
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