Campo da aplicação

[001] A presente patente do Modelo de Utilidade, tocha de solda robotizada com regulagem do ponto central da ferramenta (TCP), que pertencente ao campo dos equipamentos para soldagem, tem por objeto uma tocha, aplicada em robôs de soldagem, que permite a regulagem da distância entre o bico de contato e a junta a ser soldada e ajuste do comprimento total da ferramenta, através de sistema mecânico que pode ser ajustado pelo operador da célula robotizada.

[002] A tocha é composta de dois elementos principais onde pode ser feito o ajuste de distâncias sendo o Corpo da Tocha, o qual permite a regulagem de comprimento do conjunto e a Micro pistola, que por sua vez permite a regulagem de altura através do deslocamento do conjunto de consumíveis (difusor de gás, bico de contato e ponteira).

[003] Tem-se, portanto, no pedido de patente em questão uma tocha, aplicada em robôs de soldagem, que permite a regulagem da distância entre o tubo de contato e a junta a ser soldada, através de sistema mecânico que pode ser ajustado pelo operador da célula robotizada, obtendo assim utilização e desempenho diferenciado em relação aos outros modelos encontrados no mercado, pois permite ao operador ajustar o tamanho da tocha, evitando perdas de tempo em reprogramação da soldagem robotizada.

Histórico da disposição

[004] No processo de soldagem com Elétrodo Sólido Contínuo sob Proteção Gasosa (GMAW) o arco elétrico aquece a peça e o eletrodo (arame) cujo fornecimento é contínuo, fundindo-os e formando o metal de solda. Simultaneamente a tocha de soldagem é deslocada sobre a junta.

[005] O equipamento requerido para o processo inclui uma fonte de energia de soldagem de tensão constante, um alimentador de arame interconectado a uma fonte para controle de velocidade de arame, uma tocha de soldagem, um sistema de fornecimento de gás de proteção, que pode ser uma rede de gás ou um cilindro com reguladores de vazão deste gás.

[006] Tanto o arco quanto o metal de solda fundido são protegidos por uma atmosfera de gases (gás ativo (C0 ₂ ) ou gás inerte (argônio ou hélio), ou misturas de gases ativo e inerte) através da tocha de soldagem. Misturas de gás argônio (inerte) e C0 ₂ (ativo) são frequentemente utilizadas.

[007] As misturas podem variar desde 98% de argônio e 2% de C0 ₂ , até 75% de argônio e 25% de C0 ₂ . Em algumas aplicações, adiciona-se pequenas quantidades de oxigénio (0 ₂ ) ao argônio ou à mistura argônio/C0 ₂ .

[008] O processo foi inicialmente utilizado na soldagem de alumínio, mas é atualmente muito utilizado na soldagem dos metais comerciais, incluindo o aço carbono e suas ligas, aço inoxidável, e metais não ferrosos como o cobre.

[009] Aprimoramentos realizados nos últimos anos permitiram reduzir significativamente os respingos e melhorar a aparência do cordão de solda, tornando o processo um dos mais utilizados na indústria.

[010] Soldagem robotizada é uma forma específica de soldagem automática a qual é definida pela American Welding Society - AWS (Associação Americana de Soldagem) como: "soldagem com equipamento (robô, manipulador, etc.) que executa operações de soldagem, após programação, sem ajuste ou controle por parte do operador de solda".

[01 1] Como é sabido, notadamente por técnicos no assunto, um robô industrial consiste de um conjunto de elos conectados e articulados, sendo o primeiro elo vinculado geralmente a uma base fixa, e o último elo, denominado extremidade terminal, é aquele onde a ferramenta tocha de soldagem é fixada. Deste modo, o deslocamento da tocha passa a ser controlado segundo a movimentação especificada pela programação do robô.

[012] Existem quatro principais tipos de configurações básicas de robôs industriais que são mais utilizados em operações de soldagem, conforme mostrado nas figuras 1 , 2, 3 e 4.

[013] Os robôs na configuração do tipo retangular ou cartesiana (fig.1 ) movem a tocha dentro de um volume na forma retangular, nas direções "X", "Y" e "Z", sendo os mais empregados em processos de soldagem para a produção de cordões de solda lineares.

[014] O tipo cilíndrico (fig.2) é similar ao retangular, pois utiliza movimentos de deslizamento em duas direções (vertical (Z) e extensão (X)), porém tem uma junta de rotação, a qual estabelece o espaço de trabalho como um cilindro (círculo no plano da base e um retângulo na elevação).

[015] O tipo esférico ou polar (fig.3) possui um eixo deslizante e dois eixos rotativos. O espaço de trabalho é uma esfera. [016] Finalmente, o robô do tipo articulado (fig.4), cujos movimentos são todos de rotação, apresenta um espaço de trabalho mais complexo e irregular, tornando-o adequado para qualquer tipo de soldagem (lineares ou fora de posição). Devido a esta grande mobilidade, este é o mais utilizado atualmente.

[017] A programação do robô para a realização de soldas segue a seguinte sequência:

a) Calibração da posição da tocha de soldagem para assegurar que o robô operará dentro da sua faixa de tolerância;

b) Localização dos componentes de trabalho (mesa, gabaritos, fixadores, etc.) e definição do tipo de fonte de energia;

c) Definição do caminho que será seguido pela tocha de soldagem do robô, assim como a localização dos cordões de solda. Alguns robôs são do tipo "ensino e repetição (playback)" (armazenamento na memória do controlador, dos pontos a serem percorridos) e outros devem ser programados "off- line".

[018] O controle computacional de um robô (movimentação) pode ser realizado de três formas diferentes:

- Ponto-a-ponto: quando o robô tem a habilidade de se mover de um ponto específico para outro, mas sem poder parar em um ponto arbitrário não definido anteriormente (entre os pontos);

- Caminho contínuo: habilidade de mover tomando como referência pontos específicos que definem um caminho, mas a trajetória seguida pode não corresponder aos pontos de programação;

Caminho controlado (trajetória computada): o caminho entre os pontos programados é controlado, podendo ser definido através de uma interpolação linear (linha reta) ou por uma interpolação parabólica, bastando para isso que as coordenadas inicial e final, e o tipo de interpolação sejam informadas ao controle.

[019] O controle computacional dependerá do tipo de robô e do programa implementado, entretanto a maioria dos robôs para soldagem utiliza trajetória computada.

[020] Um robô, como um soldador humano, solda qualquer junta. Entretanto, quando se considera a possibilidade de robotização da soldagem de uma determinada peça ou dispositivo, deve-se considerar também a repetibilidade.

[021] Em outras palavras, apesar de ser possível utilizá-lo para soldagens de recuperação e manutenção, deve-se considerar sempre a utilização de um robô para soldagens seriadas e neste caso, para obter cordões de solda iguais. Para isto, deve-se garantir que as peças a serem soldadas estejam dentro de tolerâncias adequadas. Neste caso, o projeto das juntas deve considerar o acesso e a abertura da junta tal que permita a deposição homogénea do metal de solda.

[022] Quanto à junta, normalmente tem-se considerado apenas soldagens em passes únicos. Assim, juntas sobrepostas, de topo, em "T" ou "L" têm sido utilizadas com sucesso.

[023] A deposição em chanfros também é possível, entretanto, em alguns casos, devido à diluição do material depositado, o controle do comprimento do arco fica comprometido e torna-se difícil garantir uma qualidade adequada para o que se deseja.

[024] Em casos específicos, onde sistemas de monitoração são utilizados, por exemplo, sensores ópticos (luz visível ou laser), o controle do robô ajusta a distância entre a tocha e a superfície dos cordões garantido assim que o comprimento do arco fique constante durante a deposição dos cordões.

[025] Quanto à tolerância, algumas regras práticas têm sido utilizadas com sucesso. Uma delas diz que a abertura entre partes a serem soldadas não pode ser superior à metade do diâmetro do eletrodo. Neste caso, se o diâmetro do eletrodo for de 1 ,2 mm, a repetição do processo só ocorrerá se as aberturas entre as juntas não forem superiores a 0,6 mm.

[026] De um modo geral, principalmente em soldagem robotizada de peças estampadas, por exemplo, é muito difícil garantir uma constância nas tolerâncias entre as peças. Neste caso, outros fatores devem ser considerados para conseguir uma adequada deposição, mesmo que os cordões não fiquem exatamente iguais, porém que fiquem dentro de uma faixa de aceitação. Dentre os vários fatores a serem considerados, citam-se o processo de soldagem, a posição de soldagem e os parâmetros de soldagem (corrente, tensão, velocidade de soldagem, tipo de gás, etc.). [Bracarense et al, 2007]

[027] Distância bico de contato peça (DBCP) é o parâmetro que mede a distância entre o bico de contato da tocha e a chapa.

[028] Essa distância determina o quanto de resistência elétrica existe para a corrente de soldagem vencer, sendo que maior DBCP oferece uma maior resistência à corrente de soldagem.

[029] Utiliza-se uma menor DBPC quando se deseja uma maior corrente e, por consequência, uma maior penetração conforme mostra a figura 5.

[030] Recomenda-se que a DBCP não seja menor que 10 mm, para não queimar o bico de contato, nem maior que 25 mm, para não superaquecer o arame, fazendo com que ele perca a rigidez mecânica. [Scotti, 2008].

[031] As distâncias de bico de contato à peça normalmente utilizadas situam-se na faixa entre 6 e 13 mm para a transferência por curto-circuito e entre 13 e 35mm para os demais modos de transferência.

[032] Utiliza-se no mínimo 10 vezes o diâmetro do arame. Para transferência por curto circuito o bico de contato deve estar zerado (flush) ou positivo em relação à ponteira (stick out), enquanto que para transferência por spray o tubo de contato deve estar recuado de 2,5 a 3mm (recess).

[033] Utiliza-se o bico de contato positivo em relação à ponteira também quando a solda é de difícil acesso, porém necessita aumento da quantidade de gás de proteção.

[034] Ponto Central da Ferramenta (Tool Center Point) de um robô industrial são posições de elementos críticos em aplicações dos programas desses robôs. As suas medições precisas dependem da geometria real e das posições dos componentes de uma ferramenta aplicada em um robô.

[035] Na soldagem o TCP é o ponto de referência onde o arame de solda deve tocar a peça de trabalho, conforme mostra a figura 6. O percurso programado para soldagem é o caminho percorrido pelo TCP. [036] Uma célula básica robótica consiste de um robô e seus dois componentes periféricos essenciais: o elemento terminal e o dispositivo.

[037] Um elemento terminal é um dispositivo mecânico ou ferramenta fixado à flange do último eixo de um robô, que permite ao robô executar uma tarefa específica, tais como soldar, montar e desmontar componentes, empacotar, manuseio de materiais, e outras funções que sejam necessárias.

[038] Um dispositivo é uma entidade rígida em que o robô executa a sua tarefa, que pode ser tão simples como uma mesa de bancada ou um tapete com estruturas especialmente concebidos para fixar ou prender uma ou mais peças.

[039] Com estes três componentes numa célula de robótica real e a peça ou as peças a serem manipuladas pelo robô, um programador de robôs pode definir as posições do TCP através do painel de controle ou interface (teach pendant), essas posições são gravadas em programas para executar tarefas.

[040] As posições do elemento terminal do robô geralmente são representados como coordenadas cartesianas e medidos em valores nominais, respectivamente, conforme mostra.

[041] Através do uso de aplicações de simulação de robôs computadorizadas os programadores podem usar diretamente estes valores de um modelo de simulação CAD, para definir as posições TCP do robô e após isso usar em programas de simulação.

[042] A tecnologia das aplicações de simulação das posições e trajetórias do TCP do robô e outras funções necessárias para as movimentações na célula e geração dos arquivos para a execução de programas no ambiente real é designada de programação de robôs "off-line".

[043] Já a programação "on-line" é realizada diretamente na célula, através da movimentação do robô realizada pelo programador, onde o mesmo precisa observar eventuais pontos de colisão e gravar as posições ou trajetórias para onde, ou através das quais o robô terá que se deslocar.

Pontos deficientes do estado da técnica

[044] Teoricamente, se todos os componentes de uma célula de robô são fabricados perfeitamente, por exemplo, com tolerâncias de zero, trocar a ferramenta por outra "idêntica" em termos dimensionais pode ser feito facilmente.

[045] Na prática, entretanto, devido às tolerâncias de fabricação inerente e o modo de fabricação de ferramentas de cada fornecedor, não existem desvios iguais entre os componentes, assim a transferência direta dos programas do robô entre duas ferramentas idênticas de robôs reais ou entre uma célula do robô real e seu modelo de simulação faz com que as posições TCP do robô sejam imprecisas, resultando em trajetórias do robô incorretas e até mesmo colisões da ferramenta do robô na célula.

[046] Diferentes métodos de calibração foram desenvolvidos para aumentar a precisão dos componentes celulares que permitem que a utilização de pontos de referência e ou sensores para calibrar o robô, o elemento final e o gabarito com um conjunto de medidas de posição estáticas.

[047] A calibração de uma célula robótica é um processo de determinação das dimensões reais dos componentes de uma dada célula do robô versus o seu valor das dimensões nominais ou previamente calibradas e em seguida usando a diferença entre o real e o nominal ou dos valores previamente calibrados para corrigir as dimensões previamente definidas nas posições do robô ajustando o TCP em conformidade para que possam ser utilizadas por programas existentes de produção de robôs na célula robô real.

[048] O processo de calibração invoca os métodos de medição de posições estáticas numa célula do robô, isto é feito através do estabelecimento de pontos do robô necessários para verificação do programa e alinhamento de fixação e o ponto TCP da ferramenta terminal.

[049] Um robô pode ser avaliado através da sua absoluta precisão geométrica. O processo envolve identificar com precisão ou medir os parâmetros da geometria do robô real representada pela norma dos parâmetros de DH - "Denavit Hartenberg", e utilizando os parâmetros identificados para compensar as posições TCP do robô para que os impactos das tolerâncias de manufatura possam ser totalmente eliminados.

[050] Nos sistemas usuais os pontos de calibração dos robôs são uma série de posições estáticas percorridas pelo TCP durante a execução de um ou vários programas. Para esse efeito, algumas orientações devem ser seguidas, como regra geral é recomendável ter pelo menos o dobro de pontos de calibrações do que de parâmetros de programação do robô a ser executado, de forma a eliminar tanto quanto possível, qualquer interferência.

[051] Dependendo da precisão são necessários um mínimo de 30 pontos de calibração, e para aplicações de alta precisão, até um total de 50 pontos de calibração são sugeridos para aplicações tais como solda a ponto. Isto é conseguido não só pelo movimento do robô no espaço Z, X, Y, mas também pela mudança de orientação do robô em torno do TCP.

[052] Um fator que pode ser determinante na escolha de um robô é o seu sistema de integração, isto é, o controlador do sistema robotizado, fonte de energia e interface com diferentes sistemas.

[053] Muitas empresas preferem adquirir soluções de baixo custo perante soluções dedicadas e sistemas específicos com recursos de visão computadorizada por exemplo.

[054] Entretanto, as robotizações de processos industriais envolvem diferentes soluções integradas entre si, necessitando de flexibilidade para fabricar desde diferentes modelos de peças ou mesmo a troca do fabricante das ferramentas terminais devido à múltiplos fatores, tais como, custo, velocidade de reposição, durabilidade, assistência técnica e possibilidade de customização.

[055] A existência de uma grande variedade de tamanhos de pistolas de solda robotizada faz com que seja complexa e difícil a tarefa da troca destas ferramentas, primeiro quanto à identificação das medidas teóricas dos diversos fabricantes e em seguida o ajuste das medidas reais na célula de soldagem, que necessita a revisão e calibração de todos os programas da célula robotizada, visto que, até então todos os modelos de tochas de soldagem por robô são de tamanhos fixos.

Solução proposta

[056] Visando facilitar o processo de ajuste da ferramenta de solda aplicada em robôs industriais, foi desenvolvida uma tocha de solda com regulagem de TCP (regulagem do ponto central da ferramenta), que permite ao operador/programador robotista ajustar o tamanho dos componentes, mantendo os pontos TCP calibrados com relação à um ponto de referência pré-estabelecido no gabarito ou célula de soldagem.

[057] Objetivando o ajuste fino das medidas da ferramenta aplicada em robôs industriais, foi desenvolvido o objeto do presente pedido de patente "DISPOSIÇÃO INTRODUZIDA EM TOCHA DE SOLDA ROBOTIZADA COM REGULAGEM DO PONTO CENTRAL DA FERRAMENTA", o qual prevê o atendimento de múltiplos tamanhos, senão na totalidade, mas em grande maioria dos modelos disponíveis atualmente no mercado.

Breve descrição dos desenhos da disposição

[058] A complementar a presente descrição de modo a obter uma melhor compreensão das características do presente invento e de acordo com uma preferencial realização prática do mesmo, acompanha a descrição, em anexo, um conjunto de desenhos, onde, de maneira exemplificada, embora não limitativa, se representou o seguinte:

[059] A FIG. 1 - Mostra um robô industrial na configuração básica do tipo retangular ou cartesiana (1 1 ).

[060] A FIG. 2 - Mostra um robô industrial na configuração básica do tipo cilíndrico (12).

[061] A FIG. 3 - Mostra um robô industrial na configuração básica do tipo esférico ou polar (13).

[062] A FIG. 4 - Mostra um robô industrial na configuração básica do tipo articulado (14).

[063] A FIG. 5 - Mostra a distância bico de contato (3) peça (DBCP) com relação à penetração da solda (15). [064] A FIG. 6 - Mostra a representação do ponto TCP (regulagem do ponto central da ferramenta) relativo à tocha de solda.

[065] A FIG. 7 - Mostra uma vista em perspectiva superior frontal da ferramenta de soldagem com todos os seus componentes sendo estes: flange (8); corpo da tocha (9) e micro pistola (10).

[066] A FIG. 8 - Ilustra uma vista explodida do corpo da tocha (9) com flange (8) e suas peças, pinos guias (1 ) e parafusos de fixação (2).

[067] A FIG. 9 - Ilustra a micro pistola (10) e seus componentes, bico de contato (3) ponteira (4), difusor de gás (5), anéis espaçadores (6) e protetor do difusor (7).

[068] A FIG 10 - Mostra um exemplo de conjunto, ajustado para as medidas mínimas de tamanho.

[069] A FIG 1 1 - Mostra o mesmo exemplo de conjunto, porém ajustado para as medidas máximas de tamanho.

Descrição detalhada da incorporação

[070] De conformidade com o quanto ilustram as figuras acima relacionadas, a "DISPOSIÇÃO INTRODUZIDA EM TOCHA DE SOLDA ROBOTIZADA COM REGULAGEM DO PONTO CENTRAL DA FERRAMENTA", refere-se a um aperfeiçoamento em uma ferramenta terminal para sistema de soldagem robotizado, composto de flange (8), corpo da tocha (9) e micro pistola (10) que é montado a um robô industrial, e possui ajuste nos tamanhos de comprimento e altura, sendo possível fixar o tamanho ideal após a regulagem, feita pelo operador programador da célula de soldagem. 1 - Permite a fixação em qualquer robô industrial, desde que fabricado o flange (8) adequado ao último eixo do robô, respeitando suas furações, roscas e encaixes.

2 - Permite ajustar o comprimento do corpo da tocha (9), deslizando o mesmo sob o flange (8). O corpo da tocha é guiado pelos pinos (1 ) e fixado por parafusos (2), sendo que isto pode ser feito também por qualquer outro sistema similar de corrediças ou chavetas, fixado por grampos ou manípulos conforme convier ao fabricante do produto.

3 - Permite ajustar a altura da micro pistola e por consequência também seu comprimento, através da regulagem da posição do difusor de gás (5), utilizando-se um ou mais anéis espaçadores (6) ou qualquer outro sistema similar como uma contra porca, por exemplo.

4 - Permite, portanto, através das regulagens mencionadas, alterar o TCP da ferramenta de solda robotizada, modificando a posição dos consumíveis de soldagem no espaço, atuando na distância entre o bico de contato (3) e a peça (DBCP) e também, ajustar a distância relativa à ponteira (4) e bico de contato (3) já que o protetor do difusor (7) se desloca sobre a micro pistola. Isto possibilita utilizar o tubo de contato nas condições de recuo com relação à ponteira (recess), zerado (flush) ou positivo (stick out).

[071] É certo que quando o presente modelo de utilidade for colocado em prática, poderão ser introduzidas modificações no que se refere a certos detalhes de construção e forma, sem que isso implique afastar-se dos princípios fundamentais que estão claramente substanciados no quadro reivindicatório, ficando assim entendido que a terminologia empregada teve a finalidade de descrição e não de limitação.