Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XVI ENCITA / 2010 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, 20 de outubro de 2010 LIGAÇÃO E PROGRAMAÇÃO DE MÓDULO DE FURAÇÃO COM SISTEMA DE AVANÇO Juliano Augusto de Bonfim Gripp Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA Rua H8-C, nº 328, Campus do CTA. CEP: 12228-462, São José dos Campos – SP - Brasil Bolsista PIBIC-CNPq [email protected]Emília Villani Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA (CCM) Praça Marechal Eduardo Gomes, 50, Vila das Acácias. CEP: 12228-900, São José dos Campos – SP - Brasil [email protected]Carlos Eduardo Oliveira da Silva Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA (CCM) Praça Marechal Eduardo Gomes, 50, Vila das Acácias. CEP: 12228-900, São José dos Campos – SP - Brasil [email protected]Resumo. O projeto apresentado enquadra-se como parte da solução para o problema de usinagem (furação) industrial de precisão, pois trata, em linhas gerais, do controle computacional e instalação de um sistema de furação provido de uma broca com rotação ajustável sobre um atuador linear com avanço e recuo ajustáveis. Tal sistema foi programado usando o software LabVIEW e interfaces do fabricante National Instruments, objetivando a operação do sistema de forma autônoma mediante entrada de parâmetros intervenientes do furo desejado, como velocidade de rotação da broca, profundidade do furo, dentre outros, em chapas de fuselagem de aeronaves. Palavras chave: Efetuador Robótico, Robótica, Automação, Controle, Eletro-mandril, LabVIEW. 1. Introdução Os robôs industriais são amplamente utilizados nas indústrias de manufaturas automotivas, eletrônicas, farmacêuticas, alimentícias, entre outras atualmente. Entretanto, no estudo mostrado por Summers (2005) a penetração destes robôs na indústria aeronáutica ainda não é tão grande. Se por um lado, a fabricação de peças primárias para construção de aeronaves conta com um dos parques industriais mais modernos da atualidade utilizando-se de máquinas de comando numérico de última geração, por outro lado, a montagem estrutural das aeronaves, principalmente a partir da junção dos seguimentos de fuselagens, é em sua imensa maioria executada de forma manual. Desde seu início, a montagem estrutural de aeronaves tem optado pelo uso de ferramentais de grande porte e baixa flexibilidade, mas que conseguem garantir precisão na montagem de segmentos de fuselagem de massa relativamente elevada comparada com as demais indústrias onde o uso dos robôs industriais é bastante difundido. Nas últimas décadas, a crescente pressão global para melhoria de desempenho na cadeia de operações do mercado aeronáutico tem pressionado estas indústrias a melhorarem seus processos industriais. Um estudo recente apresentado por Cibiel et al (2006) elegeu a operação de furação e instalação de prendedores como o melhor processo para ser automatizado utilizando robôs industriais, dentre as diferentes tarefas executadas manualmente na indústria aeronáutica. Esse projeto envolve a programação de rotinas de controle, por meio do software LabVIEW, que executam diversos comandos e efetuam leituras de dados a fim de interagir com um sistema de furação (usinagem). Esse sistema é constituído basicamente por um eletro-mandril (spindle) posicionado sobre guias que permitem o avanço e recuo desse motor elétrico por meio de servomotores, cujos parâmetros de deslocamento, velocidade, aceleração, dentre outros,são ajustáveis pelo usuário. Todo sistema interage por meio de interfaces específicas (do fabricante National Instruments) para trocas de dados adequadas ao projeto. Além da programação, outras partes importantes do projeto dizem respeito à ligação dos componentes, elaboração de circuitos auxiliares de testes, integração de sistemas (como sistemas auxiliares de refrigeração do eletro-mandril, lubrificação, controle de temperatura, dentre outros). O objetivo principal do projeto é desenvolver um sistema de controle de um módulo de furação por meio de LabVIEW capaz de efetuar furos precisos em chapas com parâmetros definidos, e promover a interação deste sistema com sistemas auxiliares. Outro ponto fundamental é avaliar se o LabVIEW atende às necessidades do projeto e se os dados colhidos ao final do projeto são aceitáveis e confirmam o propósito do projeto. Por fim, o aprofundamento em métodos de controle, estudo a respeito de componentes do projeto e ambientação sistemas eletrônicos fazem parte também dos objetivos principais do trabalho.
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LIGAÇÃO E PROGRAMAÇÃO DE MÓDULO DE FURAÇÃO COM SISTEMA DE ... · de precisão, pois trata, em linhas gerais, do controle computacional e instalação de um sistema de furação
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Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XVI ENCITA / 2010
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, 20 de outubro de 2010
LIGAÇÃO E PROGRAMAÇÃO DE MÓDULO DE FURAÇÃO COM
SISTEMA DE AVANÇO
Juliano Augusto de Bonfim Gripp Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA
Rua H8-C, nº 328, Campus do CTA. CEP: 12228-462, São José dos Campos – SP - Brasil
Os robôs industriais são amplamente utilizados nas indústrias de manufaturas automotivas, eletrônicas,
farmacêuticas, alimentícias, entre outras atualmente. Entretanto, no estudo mostrado por Summers (2005) a penetração
destes robôs na indústria aeronáutica ainda não é tão grande. Se por um lado, a fabricação de peças primárias para
construção de aeronaves conta com um dos parques industriais mais modernos da atualidade utilizando-se de máquinas
de comando numérico de última geração, por outro lado, a montagem estrutural das aeronaves, principalmente a partir
da junção dos seguimentos de fuselagens, é em sua imensa maioria executada de forma manual.
Desde seu início, a montagem estrutural de aeronaves tem optado pelo uso de ferramentais de grande porte e baixa
flexibilidade, mas que conseguem garantir precisão na montagem de segmentos de fuselagem de massa relativamente
elevada comparada com as demais indústrias onde o uso dos robôs industriais é bastante difundido.
Nas últimas décadas, a crescente pressão global para melhoria de desempenho na cadeia de operações do mercado
aeronáutico tem pressionado estas indústrias a melhorarem seus processos industriais. Um estudo recente apresentado
por Cibiel et al (2006) elegeu a operação de furação e instalação de prendedores como o melhor processo para ser
automatizado utilizando robôs industriais, dentre as diferentes tarefas executadas manualmente na indústria aeronáutica.
Esse projeto envolve a programação de rotinas de controle, por meio do software LabVIEW, que executam diversos
comandos e efetuam leituras de dados a fim de interagir com um sistema de furação (usinagem). Esse sistema é
constituído basicamente por um eletro-mandril (spindle) posicionado sobre guias que permitem o avanço e recuo desse
motor elétrico por meio de servomotores, cujos parâmetros de deslocamento, velocidade, aceleração, dentre outros,são
ajustáveis pelo usuário. Todo sistema interage por meio de interfaces específicas (do fabricante National Instruments)
para trocas de dados adequadas ao projeto. Além da programação, outras partes importantes do projeto dizem respeito à
ligação dos componentes, elaboração de circuitos auxiliares de testes, integração de sistemas (como sistemas auxiliares
de refrigeração do eletro-mandril, lubrificação, controle de temperatura, dentre outros).
O objetivo principal do projeto é desenvolver um sistema de controle de um módulo de furação por meio de
LabVIEW capaz de efetuar furos precisos em chapas com parâmetros definidos, e promover a interação deste sistema
com sistemas auxiliares. Outro ponto fundamental é avaliar se o LabVIEW atende às necessidades do projeto e se os
dados colhidos ao final do projeto são aceitáveis e confirmam o propósito do projeto. Por fim, o aprofundamento em
métodos de controle, estudo a respeito de componentes do projeto e ambientação sistemas eletrônicos fazem parte
também dos objetivos principais do trabalho.
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2. Ferramenta Multifuncional
O sistema analisado está inserido em um projeto mais abrangente de interesse conjunto do ITA e da indústria
Aeronáutica Brasileira, denominado “EFIP” (Efetuador de Furação e Inserção de Prendedores), no qual a ferramenta
multifuncional (end-effector) está inserida no extremo de um braço mecânico industrial. O robô é responsável pelo
correto posicionamento daquela ferramenta multifuncional, enquanto esta mede alguns pontos de referência, efetua a
furação, aplica o selante e coloca prendedores.
O EFIP possui uma plataforma mecânica e alguns módulos com funções específicas. Esses outros módulos e
sistemas estão sendo desenvolvidos por outros pesquisadores, dentre eles doutorandos, mestrandos e graduandos do
ITA, bolsistas do CNPq, dentre outros. Os módulos (coloridos distintamente na Fig.1) dividem-se em Módulo de Visão
(em rosa, posicionamento do end-effector em local correto para executar as operações), Módulo de Furação (em azul-
piscina, objetivo deste projeto), Módulo de Aplicação de Selante (em marrom), Módulo de Perpendicularidade (em
verde-limão) e Módulo de Inserção de Prendedores (em verde musgo). A Fig. 1 mostra esses módulos.
Figura1. Módulos do EFIP constituindo uma ferramenta multifuncional.
A título de conhecimento, a seqüência básica de operação do EFIP compreende as seguintes etapas: posicionamento
do EFIP no ponto de referência através do robô; medição da referência por meio de visão computacional (módulo de
visão); posicionamento do EFIP na posição de processo através do robô; avanço do sistema de aproximação
longitudinal até apoiar na chapa a ser furada; posicionamento do módulo de furação pelo sistema transversal; execução
da furação pelo módulo de furação; posicionamento do módulo de aplicação de selante pelo sistema transversal;
aplicação de selante pelo módulo de aplicação de selante; posicionamento do módulo de inserção de prendedores pelo
sistema transversal; inserção de prendedores pelo módulo de inserção de prendedores; recuo do sistema de aproximação
longitudinal.
A Fig. 2 mostra o EFIP instalado no robô e permite visualizar o sistema principal.
Figura 2. Sistema robótico industrial com EFIP instalado posicionado sobre fuselagem.
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Alguns outros equipamentos como o sistema de refrigeração, de lubrificação (nebulizador de óleo), de limpeza
(aspirador de cavaco), além de válvulas pneumáticas e outros equipamentos foram ocultados para melhor visualização
do projeto global.
O sistema robótico industrial (alaranjado na Fig. 2) é da fabricante alemã “KUKA Roboter”. Em particular o
sistema usado nesse projeto é o modelo “KUKA KR210 L100-2K S2000”. Esse robô possui 1515 kg ao todo (sem
contar o controle), 6 eixos de rotação (graus de liberdade), controle remoto, suporta até 100 kg de carga no extremo do
braço (payload), mas um total de até 500 kg de carga distribuída. Esse equipamento foi adquirido dentro das
especificações necessárias e instalado no Laboratório de Automação para Montagem Estrutural (LAME), no ITA, para
ser utilizado em diversos experimentos e testes, dentre eles o EFIP.
2.1. Módulo de Furação
O módulo de furação pode ser dividido basicamente em duas partes: sistema de furação e sistema de
movimentação. O sistema de furação é formado pelo eletro-mandril, suporte de ferramenta e ferramenta (broca), já o
sistema de movimentação é formado por guias lineares de movimentação, caixa de redução de velocidade e servo-
motor. Sistemas auxiliares como refrigeração, lubrificação, limpeza e outros também fazem parte do sistema, mas são
tratados em separado, pois não estão presos à ferramenta multifuncional, mas sim em solo, devido ao peso e dimensões
desses equipamentos. O eletro-mandril, responsável pelo giro da ferramenta, é do fabricante brasileiro “Tecnodrill”, e o
equipamento utilizado é “ETA-18/2.5”. A Fig. 3 mostra uma vista em perspectiva do sistema.
Figura 3. Módulo de Furação.
Esse eletro-mandril possui cerca de 12 kg, é projetado para trabalhar na faixa de 5.000 a 18.000 RPM (rotações por
minuto), tem uma potência máxima de 2,5 kW, exige lubrificação por graxa permanente e refrigeração líquida, além de
possuir eixo com troca automática. Possui internamente um cone HSK-32 (35 mm) e pinça ER-16 (diâmetro de 1/4” da
haste da ferramenta); mancais duplos, batimento menor que 0,003mm. A tensão de rede à qual o eletro-mandril está
ligada é trifásica de corrente alternada, ligado a 380 V. A Fig. 3 detalha ainda alguns itens como orifícios de entrada e
saída de líquido refrigerante, nos quais tubos de conexão pneumática ligam-se a um sistema do mesmo fabricante
(“Tecnodrill”) que controla a temperatura em uma faixa adequada, além do orifício de sucção dos resíduos provenientes
do desgaste da placa que adentram ao sistema.
A Tab. 1 traz mais algumas especificações comparativas fornecidas pelo fabricante deste aparelho que devem ser
ressaltadas.
Tabela 1. Valores comparativos para levantamento de curvas características do eletro-mandril.
Parâmetros do eletro-mandril Caso 1 Caso 2
Freqüência (Hz)
Potência (kW)
Potência de Pico (kW)
Voltagem (V)
Corrente (A)
Velocidade angular (RPM)
400
1,2
2,1
165
7,0
11.500
1000
2,5
5,0
380
6,5
29.600
Há uma fórmula que permite relacionar aproximadamente a freqüência da tensão de entrada (em Hz) no eletro-
mandril com a rotação da broca (em RPM). A Equação (1) traz esta fórmula, que leva em consideração ainda o número
de pares de pólo (PP) presentes no motor elétrico, que no caso são 2 (dois pares ou quatro pólos neste caso).
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pp
FN s
*60 (1)
Por exemplo, com uma freqüência “F = 400 Hz” de entrada no eletro-mandril, a rotação teórica deste seria de
aproximadamente Ns = (60*400)/2 = 12.000 RPM. Na prática, devido a alguns fatores externos, como atrito e outros, a
velocidade de rotação pode atingir valores um pouco inferiores (observa-se o valor de 11.500, conforme a Tab. 1). A Fig. 4 apresenta algumas curvas características levantadas em função dos dados fornecidos pelo fabricante que e
permitem avaliar a relação entre os parâmetros (por exemplo, potência do motor, voltagem, velocidade de rotação,
dentre outros) através da relação linear entre as grandezas, se analisadas em uma faixa de freqüências adequada.
Figura 4. Curvas características do eletro-mandril em função da freqüência da tensão de entrada (AC).
O funcionamento completo do módulo de furação engloba várias funções, como zerar a posição do eixo do sistema
de movimentação para referência, mover o sistema de movimentação para a posição recuada, executar o processo de
furação e executar a troca da ferramenta, dentre outras. Todo o sistema de controle é baseado no envio e recebimento de
sinais digitais (por exemplo, sentido de movimento, Liga/desliga aparelhos) e analógicos (por exemplo, controle suave
de rotação, leitura de corrente no mandril).
A função de zerar a posição do eixo do sistema de movimentação é feita pelo software de controle através da
atribuição do valor zero à posição que o sistema de movimentação se encontra. Na seqüência, para executar a função
de movimentação para a posição recuada, o software de controle deve efetuar as atividades abaixo. As funções
implementadas e que fazem parte deste trabalho seguem abaixo:
Habilitar o movimento do conversor de freqüência (Yaskawa);
Selecionar a direção de movimentação, que no caso é o de recuo;
Enviar pulsos ao conversor de freqüência para executar a movimentação, onde a quantidade de pulsos
determina a posição que o sistema irá avançar, e a freqüência dos pulsos determina a velocidade de
deslocamento do sistema;
Após o conversor de freqüência enviar os pulsos necessários para atingir a posição zero já determinada
anteriormente, o mesmo envia um sinal de posição alcançada (retorno para o software);
Desabilitar o movimento do conversor de freqüência (Yaskawa).
Para a função do processo de furação, o software de controle deve:
Selecionar e enviar ao conversor de freqüência (Siemens) a rotação do eletro-mandril desejada;
Enviar ao conversor de freqüência (Siemens) um sinal de liga;
Habilitar o movimento do conversor de freqüência (Yaskawa);
Selecionar a direção de movimentação de avanço;
Enviar pulsos ao conversor de freqüência (Yaskawa) para movimentar o sistema em avanço rápido;
Receber do conversor de freqüência (Yaskawa) o sinal de posição alcançada;
Ligar sistema de aspiração;
Ligar sistema de lubrificação por névoa de óleo;
Enviar pulsos ao conversor de freqüência (Yaskawa) para movimentar o sistema em avanço lento;
Receber do conversor de freqüência (Yaskawa) o sinal de posição alcançada;
Desligar o sistema de lubrificação por névoa de óleo;
Ligar o sistema de limpeza da broca;
Selecionar a direção de movimentação de recuo;
Enviar pulsos ao conversor de freqüência (Yaskawa) para movimentar o sistema em recuo rápido;
Receber do conversor de freqüência (Yaskawa) o sinal de posição alcançada;
Desligar o sistema de aspiração;
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Desligar o sistema de limpeza da broca;
Desligar o conversor de freqüência (Siemens);
Desabilitar o conversor de freqüência (Yaskawa).
Esses processos de envio e recebimento de sinais de todo o sistema podem ser melhor compreendidos analisando a
Fig. 5, que mostra cada sinal trocado com o hardware de controle (connector block), composto por sinais de entrada
(input) digital e analógica, ou saída (output) digital e analógica.
Figura 5. Diagrama do Sistema de Furação incluindo os sinais de controle a cada aparelho.