Especificações técnicas Vol.30

Vol.30: Uma nova função para o sistema de soldagem robótico ARCMAN™: detecção da abertura da raiz por sensor a laser

1.Prefácio

Os sistemas de soldagem robóticos ARCMAN™ da KOBE STEEL são utilizados por muitos clientes nos campos da construção civil e de máquinas de construção, que fabricam aços estruturais a partir de chapas de espessuras média a grossa, conforme mostrado nas Figuras 1 e 2. Uma das vantagens dos sistemas robóticos é o aumento da eficiência de produção. Todavia, para alcançar isso nas soldagens, é essencial reduzir o tempo de ciclo, mas manter a qualidade das soldagens. Um robô apenas executa aquilo que o operador ensina, porém, dependendo da precisão das peças de trabalho e/ou dos chanfros, podem ocorrer casos onde o robô não consegue realizar soldagens precisas em determinadas condições de soldagem. Defeitos nas soldagens podem ocorrer porque as grandes estruturas, que utilizam chapas de espessuras média e grossa, podem provocar deformações e/ou erros de montagem. Como resultado, reparos são necessários na fase após o processo e a eficiência geral da produção é reduzida. Durante a soldagem, os soldadores mantêm seus olhos no formato da peça e/ou na abertura da raiz e ajustam as suas soldagens adequadamente. Para realizar soldagens de alta qualidade com um robô, portanto, seria necessário provê-lo com olhos.

Atualmente, os sensores de toque são a alternativa existente para equipar um robô com olhos. Eles permitem que a posição de uma peça de trabalho seja detectada, utilizando a tensão aplicada ao arame de solda, que se altera quando o arame toca na peça. No entanto, os sensores de toque são conhecidos por seus pontos fracos, como imprecisão, incapacidade de funcionar com certos formatos de chanfros e movimentos de detecção que necessitam de mais tempo do que o planejado. Para superar essas deficiências, a KOBE STEEL desenvolveu um novo sistema baseado na detecção da abertura da raiz, utilizando o controlador tipo CB, exclusivo da empresa, e um sensor a laser. Neste artigo, serão discutidas as características e o uso real da função de sensoriamento a laser.

2.Descrição do sensor a laser

2-1. Vantagens do sensor a laser

Existem três vantagens no emprego de um sensor a laser no sistema de soldagem robótico.

① Ampla faixa de juntas

Conforme mostrado na Figura 3, a detecção da abertura da raiz foi aplicada não apenas aos chanfros em V e em meio V convencionais, mas também ao chanfro em V curvado e à junta T, que não podem ser abrangidos pelo método de sensoriamento por toque.

② Medição altamente precisa

Como a resolução máxima de medição do laser é de 0,1 mm ou menos, medições altamente precisas são possíveis, dependendo das condições de medição e da peça.

③ Redução do tempo de ciclo

Visto que a ação de irradiar contra o chanfro e medir a abertura da raiz com o feixe linear a laser necessita ser feita somente uma vez, o tempo do ciclo de sensoriamento é reduzido. Por outro lado, conforme mostrado na Figura 4, o método de sensoriamento por toque requer repetidas operações para detectar a peça de trabalho e medir a abertura da raiz.

A órbita de operação do robô varia, dependendo das condições de medição e da peça.

2-2. Desvantagens associadas com o sensoriamento a laser

Apesar das vantagens da aplicação de sensores a laser nos sistemas de soldagem robóticos, alguns pontos problemáticos têm atrasado a adoção de sistemas de sensoriamento a laser.

① Diminuição da taxa de operação

Considerando que o sensor a laser deve ser posicionado próximo à tocha de soldagem e que, portanto, deve ser montado adicionalmente nos sistemas de soldagem, a taxa de operação do robô pode diminuir devido a possível interferência do sensor a laser com as peças de trabalho.

② Necessidade de medidas de segurança

A instalação e o uso de equipamentos a laser necessitam de medidas de segurança específicas, de acordo com as normas de classificação do laser, devido à necessidade de proteger os corpos das pessoas contra as exposições prejudiciais dos feixes laser.

③ Influência da condição da peça de trabalho

Como a medição é realizada através da reflexão do feixe de laser na peça de trabalho, a condição da superfície da peça e/ou qualquer imperfeição podem ter uma grande influência nos resultados.

2-3. Uma solução para as desvantagens do sensoriamento a laser

① O corpo estreito permite que o SFK350 seja utilizado em espaços confinados.

A Tabela 1 compara o tamanho do SFK350 feito sob medida com o de um sensor a laser convencional. É fácil observar que o SFK350 tem um tamanho cerca de 50% menor e um peso aproximadamente 10% inferior, o que certamente restringe a redução da taxa de operação.

Tabela 1: Sensor a laser SFK350 feito sob medida versus sensor a laser convencional

	SFK350	Sensor a laser convencional
Volume (cm3)	368	749
Peso(g)	600	670

② A classificação do laser é menos restritiva

Conforme a Segurança de Produtos a Laser (JIS C 6802: 2018), o sensor convencional é classificado como laser de classe 3B, o que requer o isolamento do ambiente de operação, e o SFK350, feito sob medida, é classificado como laser de classe 2M e não requer isolamento, o que possibilita utilizar o sistema de forma mais ampla.

A Tabela 2 apresenta um trecho dos Riscos e Medidas Preventivas contra Danos Causados por Feixes de Laser, fornecido pelo Chefe da Agência para Normas do Ministério da Saúde, Trabalho e Bem-Estar (Japão) para referência.

Tabela 2: Normas de medidas por classe de equipamento a laser

	Classe 2M	Classe 3B
Equipamentos de proteção ・Óculos de segurança ・Luvas de trabalho com pouca exposição da pele	Não requerida	Requerida
Isolamento periférico	Não requerida	Requerida
Designação da área de laser controlada	Não requerida	Requerida
Designação de encarregado pela segurança do laser	Não requerida	Requerida

Como os sensores a laser convencionais possuem uma forte saída de feixe de laser, são classificados como laser de classe 3B e várias medidas de prevenção de riscos são requeridas. Além do isolamento periférico, do uso de equipamentos de proteção e da definição de uma área de laser controlada, também é requerido um encarregado para a segurança do laser.

As especificações do SFK350 estão indicadas na Tabela 3. Um sensor a laser com função de localização de costura de solda para a detecção de aberturas da raiz, enclausurado em um invólucro resistente para suportar qualquer ambiente de soldagem. Além disso, o algoritmo que mede as peças fabricadas com chapas de aço de média até grossa espessura da KOBE STEEL é conhecido por ser programável para todas as configurações de chanfro.

Tabela 3: Especificações do SFK350

	SFK350
Classificação do laser	Classe 2M
Tipo de medição	Localização de costura de solda
Dimensões (largura x altura x profundidade)	63mm x 139mm x 42mm
Profundidade de campo	350mm
Stand off (distância da tocha à peça)	200mm
Plano próximo (campo de visão)	39mm
Plano distante (campo de visão)	111mm
Resolução lateral	0,07mm (@350mm)
Resolução da profundidade	0.48mm (@350mm)

③ Redução da influência da condição de superfície da peça

No sensoriamento a laser, o escaneamento é realizado para reduzir a influência da condição da superfície da peça de trabalho. As adesões de fumos da soldagem ou respingos de solda na superfície da peça ou no interior do chanfro, ou mesmo as marcas deixadas no processamento ou na montagem, podem alterar a forma aparente do chanfro em um determinado ponto, resultando em medições incorretas quando somente um ponto é medido pelo sensor a laser.

2-4. Comparação do sensoriamento a laser com o sensoriamento por toque

A tabela 4 apresenta a comparação entre o sensoriamento a laser e o sensoriamento por toque. Uma vez que ambos os métodos de sensoriamento possuem vantagens e desvantagens, é necessário determinar inicialmente se o uso do sensor a laser é aplicável para uma determinada peça de trabalho.

Tabela 4: Comparação do sensoriamento a laser com o sensoriamento por toque

	Sensoriamento a laser	Sensoriamento por toque
Juntas aplicáveis	Muitas	Poucas
Resolução da medição	0,1 mm ou menos	Cerca de 0,5 mm
Tempo de sensoriamento	Cerca de 1 s (tempo de escaneamento)	Cerca de 10 s (tempo de detecção)
Influência na taxa de operação	Sim	Não
Influência da condição da superfície	Influenciado por reflexão	Influenciado por peças não condutivas
Influenciado por perturbações	Luz direta da luz do arco	Não
Precisão (i.e., diferenças nas dimensões e condições de processamento entre a peça e o desenho)	Necessário acrescentar as dimensões e medições da peça de trabalho baseadas nas condições de processamento.	O mesmo ajuste pode ser aplicado, mesmo se houver algum grau de dispersão.
Custo	Alto	Baixo

Nota: o texto em azul indica as vantagens.

3.Componentes do sistema

O sistema de sensoriamento a laser é composto por um sensor a laser, pelo robô ARCMAN™ e pelo controlador CB, mostrados na Figura 7.

Quando o sensoriamento a laser é realizado, as informações do chanfro da peça alvo são enviadas pelo controlador CB ao sensor do laser, e então o sensoriamento é executado através de um algoritmo baseado nas informações do chanfro. O controlador CB obtém os resultados medidos pelo sensor a laser, como a distância até o centro do chanfro, a abertura da raiz (ou largura da abertura) e outras características do chanfro alvo. As informações acumuladas são exibidas como resultados do sensoriamento a laser na tela do teach pendant, conforme mostrado na Figura 8.

4.Contribuição para uma maior qualidade de soldagem

Uma importante contribuição para soldagens de alta qualidade é a função de sensoriamento da abertura, que ajusta automaticamente as condições de soldagem de acordo com os resultados medidos das aberturas de raiz que variam de tamanho no chanfro. As variações na abertura de raiz devem ser medidas antes da soldagem de uma peça.

5.Posfácio

Esse relatório apresentou a função de detecção da abertura de raiz por sensor a laser, que permite a realização de soldagens de maior qualidade por sistemas de soldagem robóticos. Especificamente, o artigo examinou algumas das diferenças entre o sensoriamento a laser e o sensoriamento por toque e suas respectivas características, e abordou exemplos de aplicações reais.

Como base para o desenvolvimento dessa função, as seguintes duas funções foram adicionadas:
① Comando programado exclusivamente para o sensoriamento a laser
② Tela para exibição dos resultados do sensoriamento

Essas funções fornecem uma operação mais fácil dos sistemas de soldagem robóticos ARCMAN™ que possuam sensor a laser instalado.

A KOBE STEEL irá continuar a desenvolver tais produtos para que todos os clientes possam usufruir das soldagens robotizadas com completa satisfação.

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