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Principais Componentes dos Sistemas de Robôs de Soldagem e Casos de Uso Industriais
Elementos Principais de Hardware: Manipulador, Controlador e Fonte de Energia para Soldagem
Três componentes de hardware principais compõem um sistema de robô de soldagem: o manipulador, o controlador e a fonte de energia. Os manipuladores podem assumir a forma de um braço robótico, sendo a variante com seis eixos a implementação mais comum. Esses componentes incorporam juntas acionadas por servomotores e redutores de alta precisão para permitir um controle de movimento de alta fidelidade. Esses braços também conseguem controlar trajetórias de soldagem em 3D, tornando-os altamente versáteis na resolução de problemas de soldagem que envolvem uma grande variedade de juntas e dimensões. O controlador comanda todas as operações e é altamente responsivo às alterações que ocorrem durante a operação de soldagem. Ele recebe instruções transmitidas por programas embutidos (ou por ensinadores manuais — teach pendants) e controla o sistema robótico para executar as operações de soldagem. A fonte de energia de soldagem gera e mantém o arco de soldagem para concluir as juntas. Durante uma operação de soldagem, ela controla a proteção gasosa, a velocidade de alimentação do arame de soldagem, bem como a corrente e a tensão de soldagem. Leva em consideração o tipo de junta a ser trabalhada, a espessura e o tipo de metal, além da técnica de soldagem mais adequada à aplicação. A combinação desses componentes cria uma solução de soldagem automatizada altamente confiável. Esses sistemas de robôs de soldagem são utilizados na fabricação de conjuntos automotivos e máquinas de grande porte, estruturas e componentes estruturais, bem como na execução de tarefas de soldagem que exigem um elevado grau de consistência de qualidade.
Integração de Software e Periféricos: Sistemas de Visão, Sensores e Interfaces de Segurança
As fábricas modernas são compostas por uma variedade de componentes de hardware e soluções inteligentes de software. Sistemas guiados por visão, por exemplo, são capazes de identificar juntas difíceis e seguir linhas de solda que estão em constante movimento, utilizando câmeras calibradas e sistemas de detecção de bordas. Esses sistemas conseguem recalibrar automaticamente seus trajetos, poupando o usuário da necessidade de fazê-lo manualmente a cada vez. Sensores de processo podem comunicar alterações nos níveis de tensão do arco, bem como medições de calor e corrente ao controlador central. Esse controlador é capaz de efetuar ajustes nos processos em menos de um segundo. Os fabricantes também integrarão sistemas compatíveis com as normas ISO 10218 e RIA 15.06, que interrompem o movimento de uma máquina para proteger o operador quando este se encontra a uma determinada distância da máquina. Esses componentes incluem cortinas de luz, sistemas PLC especialmente classificados e circuitos redundantes para parada de emergência. Um estudo publicado no ano passado no Journal of Manufacturing Systems relatou que a integração de todos os componentes avançados de uma fábrica resultou em um processo de manufatura que reduziu o número de defeitos em uma solda, passando de uma média de 37 para zero, além de permitir que a fábrica operasse com maior velocidade.
Considerações Importantes ao Escolher um Sistema de Robô de Soldagem
Considere o Tipo de Junta, a Espessura do Material e o Volume Esperado de Produção
Escolher o sistema certo envolve compreender os detalhes específicos dos requisitos da aplicação de soldagem. Robôs capazes de realizar movimentos intrincados e soldas precisas são necessários para trabalhos de soldagem, como soldas de filete em múltiplas passes ou soldas de entalhe em juntas estreitas. No entanto, uma configuração simples pode ser suficiente para produzir soldas sobrepostas simples. Para materiais com espessura inferior a 3 mm, a fim de evitar perfuração do material, pode-se utilizar um método de redução de calor, como o processo de soldagem por arco metálico com proteção gasosa (GMAW) pulsado ou o uso de um laser de soldagem em combinação com outro processo. Para seções com espessura superior a 25 mm, métodos de soldagem que empregam um padrão rápido de enchimento e oscilação podem ser mais adequados. O volume de produção também é um fator significativo na tomada de decisão. Fabricantes que produzem mais de 10.000 unidades por mês podem considerar economicamente vantajosa a aquisição de robôs de alta velocidade com 6 eixos, que incorporam rastreamento de juntas e outros recursos de automação. Por outro lado, fabricantes com volumes de produção menores e maior variedade de produtos podem obter maiores benefícios com uma solução modular e flexível. De acordo com o relatório mais recente da revista Fabricators Journal, cerca de 30% dos problemas relacionados à soldagem robótica resultam de uma geometria de junta incompatível com as capacidades do robô. Por essa razão, é fundamental capturar desde o início os requisitos reais da aplicação de soldagem.
Capacidade de Carga Útil, Alcance e Repetibilidade para Soldagem de Precisão
A capacidade de carga útil deve levar em conta todos os equipamentos, cabos e ferramentas acopladas. Dependendo do trabalho, os requisitos de carga útil podem ser de cerca de 5 kg para trabalhos padrão de soldagem por arco. O alcance determina o volume de espaço no qual o sistema pode operar. Projetos de construção naval exigem tipicamente 3 metros ou mais de alcance horizontal, enquanto projetos envolvendo a montagem de componentes, como trabalhos em peças automotivas, exigem apenas 1,4 a 1,8 metros. O fator mais significativo é a repetibilidade, ou seja, a precisão com que o robô consegue retornar à mesma posição com a mesma exatidão, e as especificações podem ser extremamente rigorosas. Aplicações como aeroespacial e dispositivos médicos visam tolerâncias de fabricação de ± 0,05 mm. Sistemas capazes de manter uma posição térmica estável a 150 graus Celsius também eliminam retrabalho causado por deriva térmica. O Relatório de Manufatura IMTS 2023 mostra que, quando o alcance e a repetibilidade são projetados de forma eficaz, a necessidade de dispositivos de fixação complexos é reduzida em 27% e o número de defeitos diminui em 40%.
Integrando um Sistema de Robô de Soldagem a um Fluxo de Trabalho de Produção
Projeto de Célula, Fixações e Integração com CLP
Antes de começar a tentar integrar as células de soldagem, você precisa projetar as células com base no fluxo de trabalho real. Certifique-se de planejar o seu layout com um espaço livre em torno da área de soldagem equivalente, no mínimo, a 1,5 vez o alcance máximo do seu robô. Isso atende aos requisitos de segurança e manutenção da norma ANSI/RIA R15.06. Além disso, facilita o transporte de materiais ao redor da área de trabalho e oferece mais espaço para os seus técnicos. A expansão térmica dos dispositivos de fixação é uma grande preocupação. Prender com excessiva rigidez dispositivos de fixação para soldagem de alumínio e aço inoxidável resulta na maioria dos problemas de soldagem — cerca de 15%, segundo pesquisa recente da FabTech 2023. Para que a integração seja bem-sucedida, precisaremos abordar a comunicação com o CLP. A maior parte do mundo opera com EtherCAT ou Profinet, protocolos que permitem uma comunicação mais rápida entre CLPs, sistemas de visão e controladores de robôs. Esses protocolos também reduzem em cerca de 40% o tempo necessário para configurar uma tarefa de integração e aumentam a eficiência geral das linhas de produção.
A fixação modular utiliza placas-base e localizadores para facilitar a rápida reconfiguração para diferentes famílias de peças
Uma das formas de prevenção de erros que foi adotada é o uso de laços de realimentação (feedback loops) que empregam sensores. Um exemplo é o uso de sensores de proximidade, capazes de detectar se uma peça está presente antes do início do próximo ciclo operacional
A gestão integrada de cabos consiste em alimentação elétrica, sinais e gás canalizados, com suportes blindados e aliviados de tração, para reduzir as interferências eletromagnéticas (EMI) nos sinais de controle
Treinamento da equipe e planejamento do prazo esperado para o retorno sobre o investimento a partir do momento em que a troca de configuração é concluída
Para que a automação robótica seja bem-sucedida, as habilidades humanas e os equipamentos adequados são igualmente importantes. Com o treinamento que oferecemos à equipe de manutenção e aos soldadores, eles passam a ser capazes de executar uma das tarefas mais importantes e disruptivas do novo processo: ajustar os parâmetros para otimizar a tarefa e solucionar problemas no equipamento. Esse treinamento reduz os tempos de troca em até 30%. Na aplicação de automação de soldagem, o retorno esperado sobre o investimento depende de diversos fatores, incluindo a redução prevista nos custos com mão de obra para soldagem de 75 dólares por hora-homem, a diminuição de refugos, a qualidade consistente em todas as soldas dos produtos e a capacidade de rastrear cada produto ao longo da fabricação. Com base em nossa experiência com diversas aplicações e empresas, esperamos que o retorno sobre o investimento ocorra entre 18 e 24 meses após o início da implantação, desde que a infraestrutura adequada tenha sido construída e os processos de apoio implementados.
Estruturas de competência com certificações escalonadas com base nas funções ocupacionais (por exemplo, operador evoluindo para programador e, em seguida, para integrador)
Utilização da tecnologia de gêmeo digital, que permite simulações digitais para viabilizar o planejamento offline de trajetórias e a programação livre de colisões, sem interromper a linha de produção
Implantação de painéis de OEE para ilustrar a produção real versus a planejada, considerando o tempo de arco ligado, disponibilidade, desempenho, qualidade e perdas
A manutenção programada e proativa melhora o tempo médio entre falhas em 35%. Plataformas de análise de soldagem, que analisam padrões de respingos, variações de tensão e velocidade de deslocamento, reduzem as taxas de refugo em 22% na produção mista.
Alcançar desempenho ideal e confiabilidade de longo prazo para o seu sistema de robôs de soldagem
Manutenção programada e ajuste dos parâmetros do arco
Alcançar resultados confiáveis resulta da realização da manutenção necessária, em vez de esperar que os equipamentos apresentem falhas primeiro. Isso inclui seguir as especificações de lubrificação para as juntas dos eixos e executar a manutenção nos motores servo e nos cabos do circuito. Na verdade, essa prática elimina cerca de metade de todas as paradas inesperadas, conforme indicado na pesquisa de (citação preferida) de 2023. Outro fator importante é o ajuste dos parâmetros de soldagem sempre que necessário.
Melhorias Baseadas em Dados com Monitoramento da OEE e Análise de Qualidade de Soldagem
No contexto do monitoramento da Eficácia Global do Equipamento (OEE), o que estamos abordando é que a confiabilidade vai além de sua representação como uma métrica de manutenção e incorpora o potencial de crescimento por meio da melhoria contínua. O sistema registra dados em que os arcos são mantidos por períodos prolongados, identifica problemas em que o efetuador final se desvia do percurso pretendido e registra incidentes de sobrecarga térmica. Com base nesses dados, o sistema correlaciona o desempenho da operação em comparação com outras que realizam a mesma tarefa e identifica possíveis problemas antes que eles se agravem. No domínio da soldagem, a inteligência artificial amplia suas capacidades para analisar as alterações na formação e no comportamento das salpicaduras de solda. Ela relaciona problemas de salpicaduras com o desgaste do bico, a erosão da ponta de contato e o fluxo de gás. Instalações fabris com experiências variadas de produção relataram, aproximadamente, uma redução de 40% no tempo médio de reparo, e uma taxa de aceitação superior a 98% para a conclusão bem-sucedida da soldagem na primeira tentativa tornou-se a nova norma.
Perguntas Frequentes
1. Quais são os componentes principais de um sistema de robô de soldagem?
Um sistema de robô de soldagem é composto por três componentes principais: manipulador, controlador e fonte de energia para soldagem. Esses componentes trabalham em conjunto para executar tarefas automatizadas de soldagem com alta precisão e consistência.
2. Como o software auxilia os sistemas de robôs de soldagem?
O software, combinado com o hardware, potencializa o desempenho dos sistemas de robôs de soldagem. Resultados de soldagem superiores, tempos de configuração reduzidos e a capacidade de atender aos requisitos de segurança podem ser alcançados por meio do uso de sistemas de visão, sensores e interfaces de segurança.
3. Quais fatores são importantes ao escolher um sistema de soldagem por robô?
Os fatores a considerar ao escolher um sistema de soldagem por robô incluem o tipo de juntas a serem soldadas, a espessura dos materiais a serem unidos, o tamanho do lote de produção e a carga útil, o alcance e a repetibilidade exigidos.
4. Quais são as vantagens da integração de robôs de soldagem?
As vantagens de integração dos robôs de soldagem são a capacidade de projetar o layout da célula, os dispositivos de fixação e a comunicação com o CLP. Uma boa integração resulta em tempos de configuração mais curtos, maior eficiência no fluxo de trabalho e alcance pontual dos objetivos operacionais.
5. Como é possível aumentar o desempenho e a confiabilidade dos robôs de soldagem?
Robôs de soldagem mais confiáveis e com melhor desempenho podem ser obtidos se a manutenção programada for combinada com o ajuste dos parâmetros do arco. Realizar melhorias baseadas em dados, com base na análise da EEE (Eficiência Global do Equipamento) e na avaliação da qualidade da solda, pode resultar em melhoria contínua.