ARTIGO TÉCNICO Francisco Lopes1, J. Norberto Pires2 1 Dep. de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial Escola Superior de Tecnologia de Viseu, Portugal fjlopes@demgi.estv.ipv.pt 2 Dep. de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra norberto@robotics.dem.uc.pt
OPTIMIZAÇÃO DE UM SISTEMA ROBOTIZADO DE REBARBAGEM DE VIDROS PARA AUTOMÓVEL RESUMO Neste artigo descreve-se a solução encontrada para a optimização de um sistema robotizado de rebarbagem do excesso de Polivinil Butiral (PVB) resultante da laminagem de vidros para automóveis. A solução desenvolvida divide-se em quatro módulos: discretização do vidro através de um programa de pré/pós-processamento de elementos finitos (GiD), manipulação dos nós obtidos (MATLAB), programação do robô (RAPID) e uma interface com o utilizador no PC (VB.Net). A sequência de operações tem início na análise e discretização da superfície do vidro em CAD, passando pela obtenção das coordenadas e direcções de deslocamento do robô que manipula o vidro, terminando na monitorização e controlo da rebarbagem. A solução foi testada em meio virtual, no Robot Studio, e em laboratório. PALAVRAS-CHAVE: robótica industrial, CAD, planeamento de trajectórias, programação Off-line, manipulação de objectos, ferramentas de software, optimização de trajectórias.
1. INTRODUÇÃO Na maioria das soluções existentes para gerar trajectórias de um robô manipulador recorre-se à memorização e reprodução das posições do robô pelo método clássico de teaching. Estas operações são fortemente dependentes dos conhecimentos e competências do operador, utilizando como interface a consola do robô. Este método revela-se impraticável quando a quantidade de pontos a memorizar é elevada e há necessidade de efectuar deslocamentos entre eles. O desenvolvimento de novas soluções pretende tornar os processos de produção e programação robóticos mais autónomos, minimizando o tempo de ocupação do robô durante a programação. Estas soluções introduzem cada vez mais ferramentas que já são usadas no projecto e fabrico de componentes, como por exemplo, programas de modelação de sólidos (aplicações CAD), programas de elementos finitos, etc.. O trabalho relatado neste artigo pretende optimizar um sistema já desenvolvido e em funcionamento, descrito em (Pires, 2005), utilizado na rebarbagem de vidros laminados para automóvel. Os pára-brisas modernos são feitos de vidro laminado, designação para vidros constituídos por duas lâminas de vidro, intercaladas por uma lâmina de PVB. Por imperativos de qualidade os vidros para automóvel são manipulados por robôs industriais, com ciclos de produção rápidos que não deixam qualquer tipo de marca na superfície do vidro. A tarefa de rebarbagem é realizada por robôs industriais e consiste na remoção do excesso de PVB resultante da colagem dos vidros frontais, cujo contorno é passado numa lixa rotativa.
2. OBJECTIVOS DO TRABALHO O objectivo deste trabalho é o de desenvolver software que permita optimizar o sistema já existente através da minimização do tempo de
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programação de novos modelos, da diminuição da intervenção do operador, evitando ocupar o robô durante o processo de programação. Para isso pretende-se determinar os pontos de rebarbagem de uma forma automática, criar as interfaces da programação, monitorização e controlo do processo, que possibilitem a programação dos pontos da trajectória de rebarbagem num PC, possibilitando a mudança do ângulo e da velocidade de rebarbagem e da pressão exercida sobre a lixa.
3. DESCRIÇÃO DO SISTEMA No desenvolvimento desta solução foram usadas várias ferramentas de programação e de hardware que permitiram verificar, experimentalmente, as aplicações desenvolvidas no laboratório de robótica do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra. As aplicações criadas foram programadas e desenvolvidas nos seguintes softwares: GID – Version 7.2 – The personal pre and postprocessor (CIMNE – International Center for Numerical Methods in Engineering), MATLAB – Version 7.0.0.19920 (R14) (MathWorks, Inc.), Microsoft Visual Basic.NET, Microsoft Development Environment 2003 – Version 7.1.3088, RobotStudio 3.1 – Build 2234 (ABB Automation Technologies), PCROBNET2003 6.0(c) ActiveX em (Pires, 2000), JR3PCI ActiveX V4 em (Pires, 1999). Na figura 1 apresenta-se a célula de trabalho criada no laboratório com os vários componentes e hardware utilizados e respectivas ligações: um robô industrial ABB IRB2400/S4C+/M2000 (r) com o respectivo controlador (p), um computador pessoal a correr o sistema operativo Microsoft Windows XP Professional (n), um sensor de força/binário JR3 (v), equipado com uma placa PCI, que recebe e processa o sinal do sensor (instalada no PC PCI bus), um gripper concebido para agarrar o vidro (w), um tool
Figura 12 . Célula de trabalho simulada em RobotStudio.
Figura 10 . Interface com o utilizador no PC.
5. RESULTADOS Para testar o software e apresentado foram realizadas algumas formas de contornos num material (placas de MDF) fácil de maquinar, com um custo baixo e utilizando um processo de corte (através de CNC) que permite obter com grande fiabilidade as formas desenhadas num software e de CAD. Foram realizados testes com cinco formas planas em madeira (MDF) numeradas de 1 a 5 e um teste com um vidro real, presentes na figura 11. As formas utilizadas procuraram reproduzir um conjunto de pormenores habituais nos vidros de automóveis. Os ensaios, foram simulados no RobotStudio o (figura 12) e simultaneamente realizados em laboratório. O contacto entre a lixa e o contorno foi conseguido correctamente em todas as formas. Na placa número 5 é obrigatório efectuar a correcção de nós devido à presença de uma reentrância onde é desejável manter uma direcção de rebarbagem constante, evitando que parte do vidro colida com a lixa. O modelo de vidro a indicar ao robô não deve conter as reentrâncias pois elas serão detectadas através do processo de correcção com o sensor
Figura 13 . Nós da placa nº 5 exportados para o robô (a verde) e nós obtidos após a correcção com o sensor de força (a azul).
6. CONCLUSÕES Após o trabalho efectuado foram atingidos os seguintes objectivos: uma diminuição do tempo de ocupação do robô na programação de novos modelos, uma maior autonomia do processo de rebarbagem e uma menor intervenção do operador na programação. As interfaces criadas são mais intuitivas com uma vertente gráfica mais acentuada. A simplificação dos movimentos do robô através da utilização de referenciais fixos evita movimentos compostos. A solução é composta por módulos independentes, substituíveis e ferramentas adaptáveis. Foram adicionadas funcionalidades como a rebarbagem parcial do vidro, apenas indicando o nó inicial e final, e a detecção de cantos com saída automática da lixa. A correcção dos pontos de rebarbagem exportados consegue uniformizar o contacto do vidro com a lixa e anular eventuais erros de posicionamento entre o vidro e o gripperr. Como demonstrado, a operação de rebarbagem optimizada através da solução estudada é aplicável a geometrias diversas, o que torna o software e adaptável a outros processos de fabrico. REFERÊNCIAS Chapman, Steohen J. (2003). Matlab programming for engineers, Brooks. Pires, J. Norberto (1999). MATJR3. University of Coimbra – Mechanical Engineering Department. Pires, J. Norberto (2000). PCROB Users Manual, University of Coimbra – Mechanical Engineering Department. Pires, J. Norberto (2005). Semi-autonomous manufacturing systems: The role of the humanmachine interface software and of the manufacturing tracking software. Mechatronics, 15, 1191-1205. Prince, Anne and Lowe, Doug (2003). Murach’s VB.NET, Mike Murach & Associates.
Figura 11 . Formas de contornos ensaiadas.
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Video demonstrativo em: http://www.youtube.com/watch?v=M-BBIpkz7nI
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de força. O resultado obtido está presente na figura 13. foi concebida na linguagem Visual Basic.Net, como em (Prince and Lowe, 2003), e concentra numa janela informações como: o estado de sensores, representação gráfica do vidro, instruções gráficas sobre procedimentos, controlo e monitorização sobre as operações a realizar pelo robô. Os valores das variáveis do programa do robô são mudadas remotamente usando o ActviveX PCROBNETT (Pires, 2000) através desta interface. Na figura 10 é visível o aspecto geral da interface do programa.