Implementação de solução CAM na célula robótica do CINFU

IMPLEMENTAÇÃO DE SOLUÇÃO CAM NA CÉLULA ROBÓTICA DO CINFU LUÍS FILIPE TOMÉ DOMINGUES DISSERTAÇÃO DE MESTRADO APRESENTADA À FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO EM ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS ORIENTADOR: Professor Vitor Martins Augusto Porto, 2015 M I “Have no fear of perfection, you’ll never reach it.” Salvador Dali II Resumo O objetivo da dissertação centrou-se na implementação da solução CAM PowerMILL Robot Interface na célula robótica do CINFU. Esta solução CAM permite simular e pós-processar percursos de maquinagem para serem executados por robôs, dando a estes funções similares aos centros de maquinagem CNC. A célula robótica do CINFU tem a particularidade de poder operar numa cinemática part-on-robot, ou seja, a peça fica montada no braço do robô, enquanto que a ferramenta se encontra em posição estática, o que se verificou ser um desafio devido a ser uma cinemática diferente especialmente quando se recorre ao PowerMILL Robot Interface para programar percursos de maquinagem. Após proceder à configuração da célula foi possível simular percursos de maquinagem e proceder à maquinagem de peças protótipo. III Abstract The purpose of this dissertation was to implement the CAM solution PowerMILL Robot Interface in the CINFU’s robotic cell. This CAM solution enables you to simulate and post-process machining paths to be run by robots, giving them similar functions to the CNC machining centers. The CINFU’s robotic cell has the particularity of being able to operate in a part-on-robot kinematics, where the part is mounted on the robot’s arm while the tool is static, which was considered challenging because it is a different robot kinematics especially when it relies on PowerMILL Robot Interface to program machining paths. Once the configuration of the cell was done machining paths were simulate and prototypes were created. IV Agradecimentos Ao professor Vitor Martins Augusto por ter aceitado orientar-me, pelo acompanhamento durante a realização desta dissertação de mestrado e por me proporcionar o contacto e a integração num ambiente empresarial. Ao CINFU, que me acolheu nas suas instalações, pela forma como fui recebido por todos os seus colaboradores e pela disponibilização de todos os recursos necessários à realização deste projeto. À NORCAM pela cedência da licença do software PowerMILL Robot Interface durante o período de realização da dissertação. Aos engenheiros Paulo Aguiar Pinto e Filipe Cruz do CINFU e ao engenheiro Alexandre Bastos da DELCAM pelas suas disponibilidades e pelo acompanhamento durante o período de dissertação. À minha família e à minha namorada. V Índice Resumo .......................................................................................... II Abstract ........................................................................................ III Agradecimentos ............................................................................... IV Abreviaturas e Siglas .......................................................................... X Objetivo ......................................................................................... 1 As empresas ..................................................................................... 2 CINFU .......................................................................................... 2 NORCAM ....................................................................................... 3 Enquadramento................................................................................. 4 1. Célula robótica do CINFU ................................................................ 5 1.1. Estrutura ............................................................................ 5 1.1.1. Robô ............................................................................ 5 1.1.2. Controlador da célula ........................................................ 6 1.2. Descrição da movimentação do robô ........................................... 7 1.2.1. Modos de funcionamento do controlador ................................. 7 1.2.2. Jogging ......................................................................... 8 1.2.3. Referenciais .................................................................. 10 1.2.4. Cinemática .................................................................... 11 1.3. Segurança .......................................................................... 12 2. Programação manual .................................................................... 13 2.1. Introdução ......................................................................... 13 2.2. Calibração de um plano de ferramenta ....................................... 15 2.3. Criação de objetos de trabalho ................................................. 18 2.4. Programação ...................................................................... 20 2.4.1. Módulos ....................................................................... 21 2.4.2. Rotinas ........................................................................ 21 VI 2.4.3. MainModule ................................................................... 21 2.4.4. Instruções de programação ................................................. 21 3. Programação offline .................................................................... 23 3.1. Introdução ......................................................................... 23 3.2. PowerMILL Robot Interface ..................................................... 23 4. Trabalho realizado ...................................................................... 25 4.1. Formação no robô ................................................................ 25 4.2. Formação PRI ...................................................................... 26 4.3. Primeiro projeto em PowerMILL Robot Interface ............................ 26 4.3.1. Calibração da ferramenta .................................................. 27 4.3.2. Modelação da célula em CAD .............................................. 28 4.3.3. Exportar as alterações da célula robótica ............................... 29 4.3.4. Peça e percursos de maquinagem ......................................... 32 4.4. Projeto de maquinagem a 3 eixos .............................................. 35 4.4.1. Peça e percursos de maquinagem ......................................... 35 4.4.2. PRI ............................................................................. 36 4.4.3. Simulação ..................................................................... 38 4.4.4. Pós-processamento .......................................................... 38 4.4.5. Maquinagem no Robô ........................................................ 40 4.5. Projeto de maquinagem a 5 eixos .............................................. 42 4.5.1. Otimização da célula ........................................................ 42 4.5.2. Medições no robô: ........................................................... 43 4.5.3. Modelos CAD e ficheiros .dmt .............................................. 46 4.5.4. Peça para maquinagem a 5 eixos .......................................... 48 Conclusões ..................................................................................... 53 Referências Bibliográficas ................................................................... 54 A. Anexos ...................................................................................... 1 VII Lista de Figuras Figura 1 – Instalações do CINFU – Centro de Formação Profissional da Indústria da Fundição. ........................................................................................ 2 Figura 2 – Logótipo da NORCAM. ............................................................. 3 Figura 1-1 – Célula robótica do CINFU. ..................................................... 5 Figura 1-2 –Numeração dos eixos do robô para o jogging eixo a eixo [6]. ............ 8 Figura 1-3 – Correlação entre os movimentos do joystick e a movimentação do robô [5]. ............................................................................................... 9 Figura 1-4 – Referenciais definidos pelo fabricante: a) World. b) TCP ou sexto eixo (no caso do robô do CINFU). ................................................................. 10 Figura 1-5 – Representação esquemática das cinemáticas da célula robótica. A vermelho estão representados os referenciais definidos pelo fabricante e a amarelo os definidos pelo utilizador: a) Cinemática part-on-table; b) Cinemática part-onrobot. ........................................................................................... 11 Figura 1-6 – Botões de paragem de emergência da célula robótica do CINFU. ...... 12 Figura 2-1 – Editor de programas do flexpendant: 1) Instrução de movimento; 2) Funções de programação; 3) Exemplo de uma chamada de sinal da célula [5]. ..... 14 Figura 2-2 - Menu de criação de nova ferramenta calibrada no controlador do robô. ................................................................................................... 15 Figura 2-3 – Esquema da medição dos pontos de aproximação numa calibração de um plano de ferramenta [5]. ................................................................ 16 Figura 2-4 – Criação de um plano de ferramenta no flexpendant da célula robótica do CINFU........................................................................................ 17 Figura 2-5 – Pontos de referência para a criação de objetos de trabalho. .......... 18 Figura 2-6 – Vista simplificada da estrutura de um programa. ........................ 20 Figura 3-1 – Ambiente de trabalho do PowerMILL Robot Interface. .................. 24 Figura 4-1 – Calibração da ferramenta ponteira acoplada no sexto eixo. ........... 25 Figura 4-2 – Bloco de madeira de suporte construido na oficina de carpintaria do CINFU. .......................................................................................... 26 Figura 4-3 – Ferramenta caneta montada no suporte do spindle. .................... 27 Figura 4-4 – Primeira versão da célula virtual com incorporação da banca do spindle. ......................................................................................... 29 Figura 4-5 –Numeração dos eixos do IRB-2400. .......................................... 30 VIII Figura 4-6 – Determinação da inclinação do plano de ferramenta. ................... 31 Figura 4-7 – Peça do primeiro projeto em PRI. .......................................... 32 Figura 4-8 – Simulação em viewmill da estratégia de acabamento por padrão. .... 32 Figura 4-9 – a) Simulação em PRI. b) Execução do projeto no robô. A ferramenta caneta traça o padrão numa folha de papel. ............................................. 34 Figura 4-10 – Peça “Cowling” para o novo projeto de maquinagem. ................. 35 Figura 4-11 – Estratégia de desbaste. a) Percurso; b) Viewmill. ...................... 35 Figura 4-12 – Estratégia de acabamento. a) Percurso; b) Viewmill. .................. 36 Figura 4-13 –Nova configuração da célula. a) Célula virtual. Eixo de ferramenta (Azul) localizado no centro do suporte do spindle. b) Calibração do spindle com o auxílio da ferramenta ponteira. ............................................................ 37 Figura 4-14 – Posicionamento da peça. ................................................... 37 Figura 4-15 – Simulação dos percursos. ................................................... 38 Figura 4-16 – Pós Processamento ........................................................... 38 Figura 4-17 – Cálculo de planos de trabalho do robô. .................................. 39 Figura 4-18 – Ficheiros dos módulos criados pelo pós-processador. .................. 39 Figura 4-19 – Bloco de Poliuretano expandido. .......................................... 40 Figura 4-20 – Resultado do desbaste da peça “cowling” no robô. .................... 41 Figura 4-21 – Menu de calibração de spindle ............................................. 42 Figura 4-22 – Duas ponteiras de calibração fabricadas no torno CNC e uma fresa esférica de 6mm de diâmetro. .............................................................. 43 Figura 4-23 – Calibração da ferramenta e medição dos comprimentos das ponteiras. ................................................................................................... 44 Figura 4-24 – Preenchimento da tabela de calibração de ferramentas com os dados recolhidos. ..................................................................................... 44 Figura 4-25 – Deteção do erro de criação do eixo de ferramenta. .................... 45 Figura 4-26 – Edição da calibração do plano de ferramenta no ficheiro IRB240016_CINFU.mtd. ................................................................................ 46 Figura 4-27 – Modelo CAD da garra de dois dedos. ...................................... 47 Figura 4-28 – Novo modelo CAD da banca e do spindle. ................................ 48 Figura 4-29 – Ângulos de saída da peça. .................................................. 48 Figura 4-30 – Desbaste: a) Percurso; b) Viewmill. ....................................... 49 Figura 4-31 – Acabamento paramétrico: a) Percurso; b) Viewmill. ................... 49 5 1. Célula robótica do CINFU 1.1. Estrutura A célula robótica do CINFU é constituída pelo robô ABB IRB 2400-16 de 6 eixos, uma banca com suporte de fixação de spindle, mesa de calibração e suporte de ferramentas bem como uma célula de segurança. A célula possui também um controlador com uma consola portátil, denominada FlexPendant, de ecrã tátil e com um joystick que permite movimentar o robô manualmente, programar e executar rotinas de trabalho bem como operações de troca e calibração de ferramentas. Figura 1-1 – Célula robótica do CINFU. 1.1.1. Robô O robô ABB IRB 2400-16 é um dos robôs mais populares do mundo na sua classe pois apresenta alta eficiência na realização de diversas tarefas industriais. Possui 6 eixos de rotação, tem uma capacidade de carga de 20 kg e um alcance de 1,55m (Vid Figura A-2 dos Anexos). Este tipo de equipamento está geralmente associado a operações de soldadura de arco, operações de corte e rebarbagem bem como a manusear e montar componentes [4]. 6 A Tabela 1 descreve sumariamente algumas das caraterísticas deste equipamento [4]. Tabela 1 – Características do robô ABB IRB 2400-16 [4]. Capacidade de Carga 20 Kg Alcance 1,55m Número de Eixos 6 Peso 380 Kg Velocidade Máxima 450º/s no Eixo 6, 360º/s nos Eixos 4 e 5 e 150º/s nos eixos 1, 2 e 3. 1.1.2. Controlador da célula O controlador ou painel de controlo é um dos equipamentos da célula robótica. Um dos componente mais importantes, o flexPendant, é a unidade de programação e manipulação do robô. Encontram-se também no controlador o interruptor de ligação da célula, seletor de modo de operação (manual, manual 100% e automático), botão de acionamento dos motores do robô, entradas USB e botão de paragem de emergência (Vid Figura A-1 dos Anexos). O flexpendant é uma unidade portátil que o utilizador deve transportar sempre consigo quando procede a operações com o robô. Possui um joystick com 3 graus de liberdade, o que significa que o robô pode ser movido em três direções diferentes simultaneamente segundo vários referenciais disponíveis, bem como um ecrã tátil para interação com o software do controlador. A velocidade do robô é proporcional à deflexão do joystick, mas nunca superior a 250 mm/s. É no flexpendant que se procede à programação de rotinas, calibração de ferramentas e criação de objetos de trabalho. Este equipamento possui também um botão de segurança conhecido como “botão do homem morto” que é responsável por acionar os motores do robô [5]. 7 1.2. Descrição da movimentação do robô O principal objetivo do software presente no controlador da célula robótica é o controlo dos movimentos do robô de forma a posicioná-lo corretamente consoante a tarefa que se pretende executar. 1.2.1. Modos de funcionamento do controlador O controlador presente na célula robótica do CINFU permite três modos distintos de funcionamento: manual, manual 100% e automático. Para se selecionar o modo de funcionamento com que se pretende trabalhar, roda-se uma chave de segurança no controlador na direção do modo desejado ( Vid Figura A-1 dos Anexos). Em modo manual os movimentos do robô são controlados pelo joystick do flexpendant e os motores apenas se ativarão quando o “botão do homem morto” estiver pressionado. Este modo é utilizado para programação, verificação de rotinas e para reposicionamento do robô. Quando se opera em modo manual, o operador encontra-se perto do robô durante a sua manipulação. Para segurança dos operadores, a velocidade dos movimentos lineares do robô está reduzida para, no máximo, 250 mm/s conferindo assim uma maior segurança quando são executadas operações de alta precisão e que requerem proximidade ao robô para um melhor controlo. As operações normalmente feitas em modo manual são:  Jogging;  Criação e edição de programas em Rapid;  Iniciar e parar a execução de programas. Este é, portanto, o modo mais seguro para se manipular o robô quando o utilizador se encontra perto dele [5]. Em modo automático a função de segurança do “botão do homem morto” é ignorada e o robô opera à velocidade máxima sem qualquer interferência humana. A execução de programas apenas pode ser parada através do botão de stop do flexpendant ou dos botões de paragem de emergência presentes no controlador e no flexpendant. Não é possível programar nem movimentar o 8 robô usando o joystick enquanto este modo se encontra selecionado. Este é o modo de funcionamento do robô em serviço [5]. Em modo manual 100% o robô movimenta-se à velocidade máxima indicada no programa. Para além disso, para um programa ser executado é necessário não só pressionar o “botão do homem morto” mas também o botão play do flexpendant constantemente em simultâneo. Largar qualquer um destes botões resulta na interrupção imediata da rotina. Pelo perigo do robô a funcionar à velocidade máxima, este modo insere assim um nível de segurança extra permitindo observar a rotina a 100% da sua capacidade. Neste modo não é possível programar nem alterar parâmetros do sistema, servindo apenas para execução e verificação de programas Rapid [5]. 1.2.2. Jogging Para se movimentar o robô, é fundamental indicar segundo que referencial será feito este movimento. O termo jogging é usado para descrever a movimentação do robô e, geralmente, é feito de uma das seguintes formas:  Movimentos eixo a eixo – neste tipo de movimentação seleciona-se qual o conjunto de eixos que se pretende manipular (1-2-3 ou 4-5-6) e movese o joystick numa das suas 3 direções resultando na movimentação desse eixo; Figura 1-2 –Numeração dos eixos do robô para o jogging eixo a eixo [6]. 9  Movimentos lineares – movimentação do eixo de ferramenta ativo nas direções X, Y e Z do objeto de trabalho selecionado;  Reorientação – o robô reorienta o eixo de ferramenta em torno de si próprio, mantendo as coordenadas da ponta da ferramenta sendo que apenas a inclinação do plano da ferramenta é afetada. Este método é mais comum para reorientação de ferramentas montadas no robô. Figura 1-3 – Correlação entre os movimentos do joystick e a movimentação do robô [5]. 10 1.2.3. Referenciais O robô possui por defeito dois referenciais definidos pelo fabricante sobre os quais efetua os seus movimentos: World e TCP (tool attachment point). O referencial World está geralmente na base do robô. A frente do robô é na direção +X do referencial, Y é a direção perpendicular horizontal e Z a direção vertical, segundo a regra da mão direita. O referencial TCP está localizado na extremidade do último eixo do robô e é o local onde geralmente se acoplam as ferramentas, podendo estas serem garras, ponteiras, spindles, marcadores, sondas, elétrodos, prensas, entre outros. No caso do robô do CINFU, o TCP está localizado na extremidade do sexto eixo e no controlador é sempre denominado dessa forma: o sexto eixo [5]. Na maioria dos robôs, a ferramenta é a entidade que se encontra em movimento e que se localiza no próprio robô, portanto, se a peça estiver acoplada na extremidade do robô, esta passa a ser considerada a ferramenta. No caso dos robôs ABB, a ferramenta é sempre a verdadeira ferramenta quer esta esteja numa banca de trabalho, acoplada no robô ou em qualquer outra parte da célula. Este detalhe irá ter influência na criação de planos de ferramenta e de objetos de trabalho pois estes são sempre criados em relação aos referenciais do fabricante e obedecem a regras muito restritas para evitar erros. Os objetos de trabalho são referenciais que indicam a localização de uma peça ou local de trabalho enquanto que os planos de ferramenta indicam onde se encontra a ponta da ferramenta. Estes referenciais são criados pelos utilizadores e vão depender também da cinemática da célula [6]. Figura 1-4 – Referenciais definidos pelo fabricante: a) World. b) TCP ou sexto eixo (no caso do robô do CINFU). a) b) 11 1.2.4. Cinemática A célula robótica pode operar segundo duas cinemáticas diferentes: part-onrobot ou part-on-table. Na cinemática part-on-robot, o robô segura a peça enquanto que a ferramenta se encontra fixa. Na cinemática part-on-table, ocorre a situação contrária, o robô segura a ferramenta e a peça encontra-se fixa. Quando se opera na cinemática part-on-table, o referencial do sexto eixo (TCP) é utilizado como referência para criar os planos de ferramenta enquanto os objetos de trabalho são criados a partir do referencial do sexto eixo (Figura 1-5 a)). Quando se opera com a cinemática part-on-robot, o referencial do sexto eixo é utilizado como referência para criar objetos de trabalho, enquanto os planos de ferramenta são criados a partir do referencial World (Figura 1-5 b)). Este conjunto de regras resulta da caraterística única dos robôs ABB de reconhecer sempre a verdadeira ferramenta. Outras marcas consideram como ferramenta o objeto preso ao sexto eixo, quer seja uma peça ou uma ferramenta [6]. Figura 1-5 – Representação esquemática das cinemáticas da célula robótica. A vermelho estão representados os referenciais definidos pelo fabricante e a amarelo os definidos pelo utilizador: a) Cinemática part-on-table; b) Cinemática part-on-robot. a) b) 12 1.3. Segurança Quando se trabalha em modo manual, deve-se ter em atenção a distância a que se está do robô e, sempre que possível, mantermo-nos fora da área de alcance deste a fim de evitar possíveis acidentes. De forma a minimizar o risco de acidentes existe o já referido “botão do homem morto” no flexpedant. Quando pressionado até meia distância este ativa os motores permitindo a movimentação do robô. Caso o botão seja pressionado na totalidade ou largado, o robô automaticamente desliga os motores e interrompe o movimento. Isto é válido para os modos manual e manual 100% caso estejam a ser executados movimentos com o joystick ou esteja a correr uma rotina de trabalho. Em modo automático, é estritamente proibida a presença dos operadores dentro da célula. Existem também, quer no flexpendant quer no exterior da célula, botões de paragem de emergência que imediatamente desligam os motores do robô e interrompem as operações que estejam a decorrer. Figura 1-6 – Botões de paragem de emergência da célula robótica do CINFU. 13 2. Programação manual 2.1. Introdução A programação manual, também conhecida como programação online ou teach-and-learn, é efetuada diretamente no controlador do robô. Utilizando a interface do flexpendant, o operador desloca manualmente o robô para cada posição pretendida, memorizando-a para criar, assim, uma trajetória. Isto requer a utilização do próprio robô o que o ocupa durante o processo de programação. No software do flexpendant existe um editor de programas que permite criar rotinas de trabalho, onde se memorizam as instruções dos movimentos, se inserem funções de programação e chamadas de sinais da célula. Quando é necessário adicionar a posição atual do robô ao programa, esta será dada segundo a posição e orientação do plano de ferramenta ativo em relação ao objeto de trabalho ativo. Isto significa que a posição do robô é sempre dada pela relação entre estes dois referenciais, ou seja, permite-nos saber onde está a ponta da ferramenta em relação ao objeto. Memorizar uma posição instantânea do robô numa rotina é memorizar a localização da ferramenta em relação ao objeto de trabalho. Apesar de ser possível editar manualmente as coordenadas de uma posição, verifica-se que é pouco produtivo e muito menos preciso especialmente quando é necessário considerar a inclinação da ferramenta. Podem existir vários planos de ferramenta e objetos de trabalho gravados no software do robô mas apenas um plano de ferramenta e um objeto de trabalho podem estar ativos. As rotinas de trabalho são programadas em linguagem Rapid que é exclusivamente utilizada pelos robôs da marca ABB [5]. 14 Figura 2-1 – Editor de programas do flexpendant: 1) Instrução de movimento; 2) Funções de programação; 3) Exemplo de uma chamada de sinal da célula [5]. Para se proceder à programação manual de uma rotina devem-se seguir os seguintes passos:  Criar um plano de ferramenta calibrado;  Criar um objeto de trabalho;  Movimentar o robô para as posições adequadas às tarefas a realizar e memorizá-las;  Inserir funções de programação e chamadas de sinais da célula se for necessário;  Executar e analisar a rotina. 2 3 1 21 2.4.1. Módulos Módulos são ficheiros de texto (extensão .MOD) nos quais são criadas as rotinas de trabalho. Geralmente, no cabeçalho de um módulo são declaradas as variáveis das rotinas (isto inclui as variáveis objeto de trabalho e plano de ferramenta). É boa prática ter sempre as variáveis e as rotinas pelas quais são evocadas no mesmo módulo pois pode haver erros de privacidade das variáveis e estas não serem acessíveis a partir de outros módulos. Os módulos podem ser criados diretamente no programa ou carregados para o controlador provenientes de outras fontes (no caso de programação Offline) [5]. 2.4.2. Rotinas As rotinas são conjuntos de instruções escritas nos módulos em linguagem Rapid que podem ser chamadas para execução. Não é possível executar um módulo inteiro que contenha várias rotinas sendo apenas possível chamar e executar uma rotina de cada vez. As rotinas servem para subdividir o programa em pequenas partes para se obter um módulo em blocos, o que facilita a sua leitura [5]. 2.4.3. MainModule Nos robôs ABB existe um Módulo específico que, sem ele, não é possível executar rotinas em modo automático. Este ficheiro .MOD deve obrigatoriamente ter o nome MainModule e deve conter uma rotina com o nome Main [5]. 2.4.4. Instruções de programação Como já referido, pode-se inserir instruções de movimentos, funções de programação e chamadas de sinal do robô ao programar uma rotina de trabalho. Se uma nova instrução for adicionada, ela será colocada depois da instrução que estiver selecionada. Se a instrução selecionada está no início da rotina ou numa instrução composta (IF, FOR, WHILE ou TEST), é necessário escolher se a nova instrução será colocada antes ou depois desta instrução primária (no sentido de uma pergunta). Entretanto, se existir somente uma instrução nesta rotina ou numa instrução composta, a nova instrução será sempre acrescentada depois da anterior [5]. 22 As instruções de posicionamento contêm as seguintes informações:  Tipo de trajeto (linear, junta);  Posição de destino para qual o robô se move;  Velocidade;  Tamanho da zona – Esta variável irá suavizar mudanças de direção bruscas traçando arcos de movimento de forma a diminuir o stress nas articulações do robô. Mudanças bruscas causam muita vibração e são prejudiciais para a precisão do robô;  Plano de ferramenta atual;  Objeto de trabalho atual. O seguinte exemplo de uma linha de código de uma rotina é referente a um movimento de junta para o ponto p1, velocidade v50, tamanho de zona z1, utilizando o plano de ferramenta tool1 e o objeto de trabalho work1. MoveJ p1 v50, z1, Tool1\WObj:=Work1; Movimento de junta - Quando a precisão do caminho não é muito importante, este tipo de movimento é utilizado para mover a ferramenta rapidamente a partir de uma posição para outra. Os movimentos de junta também permitem que um eixo se desloque de qualquer local para outro dentro do seu espaço de trabalho num único movimento e a uma velocidade constante [5]. Movimento linear - Durante a movimentação linear, o plano de ferramenta viaja ao longo de uma linha reta entre os pontos de início e de destino. A orientação da ferramenta permanece constante durante todo o movimento, a menos que tenha sido programada uma reorientação [5]. 23 3. Programação offline 3.1. Introdução A programação offline é feita no computador sem se recorrer ao controlador do robô. Existem diversos softwares que permitem programar rotinas para os robôs ABB, entre eles o Robot Studio da ABB e o PowerMILL Robot Interface. Neste projeto foi utilizado o software PowerMILL Robot Interface como ferramenta de programação de rotinas em modo offline. 3.2. PowerMILL Robot Interface O PowerMILL Robot Interface é um plugin criado para o software CAM PowerMILL que permite programar percursos de maquinagem para serem executados por robôs. Esta é, portanto, a grande vantagem deste software pois permite utilizar o robô para executar operações de maquinagem da mesma forma que um centro de maquinagem convencional. Outras vantagens são as dimensões das peças a serem maquinadas bem como o alcance de certas zonas na peça a maquinar onde os robôs têm, geralmente, superioridade sobre as CNC. Em contrapartida está a rigidez do robô que é menor que a das CNC porque, como possuem vários eixos e cada eixo deflete ligeiramente devido às folgas das articulações, vai existir uma maior vibração da peça ou da ferramenta presa no último eixo do robô. Esta vibração será maior quanto mais distendido estiver o robô. Para simular um percurso em PowerMILL Robots Interface, existe uma sequência de passos mínima a seguir:  Carregar o robô da base de dados;  Definir a origem da peça;  Definir a restrições iniciais;  Simular o percurso;  Analisar a simulação;  Definir o número da ferramenta e a origem da peça (objeto de trabalho);  Pós-processar o percurso de maquinagem. 24 O PowerMILL Robot Interface consiste em duas janelas incorporadas no PowerMILL. A janela vertical possui os menus Biblioteca de Robô, Célula de Robô, Controlo de Robô e Programa de Robô enquanto a janela horizontal possui as ferramentas para abrir e analisar simulações [6]. Figura 3-1 – Ambiente de trabalho do PowerMILL Robot Interface. Janela Vertical Janela Horizontal 25 4. Trabalho realizado 4.1. Formação no robô A formação no robô foi direcionada à programação online. Esta consistiu inicialmente em movimentar o robô segundo os seus diversos eixos bem como segundo os referenciais do fabricante. Esta primeira abordagem foi útil para treinar o jogging do robô e familiarizar com a sensibilidade do joystick. Posteriormente foram criados diversos objetos de trabalho usando o flexpendant do controlador e criadas também diversas calibrações de ferramenta. Para sumarizar esta formação inicial foi calibrada uma ponteira fixa no sexto eixo que iria posteriormente ser utilizado para calibrar as ferramentas fixas no spindle bem como efetuar medições na célula robótica por métodos de engenharia inversa. Esta ponteira é uma das ferramentas disponíveis no armazém de ferramentas da célula robótica. Figura 4-1 – Calibração da ferramenta ponteira acoplada no sexto eixo. Para completar a formação foram também criadas várias rotinas de trabalho simples no controlador do robô que permitiram uma maior familiarização com a linguagem de programação Rapid e com os procedimentos de programação (Vid Figura A-3 dos anexos). 26 4.2. Formação PRI A formação em PowerMILL Robot Interface foi feita através de cursos de formação disponibilizados com o software sob a forma de tutoriais e exercícios. Estes tutoriais visavam a familiarização com o software, permitiam a criação de projetos simples, análise de simulações e correção de erros. Foram necessários 9h de contacto com o software para completar a formação. 4.3. Primeiro projeto em PowerMILL Robot Interface Após a realização dos tutoriais de formação procedeu-se à realização de um projeto em PowerMILL Robot Interface para testar o pós-processador do robô ABB do CINFU. Este primeiro projeto consistia em desenhar um padrão simples numa superfície plana. O objetivo era explorar as funcionalidades do PRI e proceder às primeiras configurações do robô. Em termos de complexidade era um projeto relativamente simples o que permitiu mais rapidamente obter resultados e familiarizar com as funcionalidades do PRI. De forma a preservar a integridade da célula robótica e, como se estava ainda numa fase muito embrionária da configuração da célula, foi decidido que não se iria trabalhar com ferramentas de corte neste projeto inicial. Foi por isso utilizada como ferramenta fixa uma caneta de acetato montada no suporte do spindle do CINFU. O bloco foi montado numa placa de madeira fabricada na oficina de carpintaria do CINFU e preso na garra de dois dedos. Figura 4-2 – Bloco de madeira de suporte construido na oficina de carpintaria do CINFU. 27 4.3.1. Calibração da ferramenta Como já referido, a ferramenta utilizada foi uma caneta de acetato. Esta caneta está inserida num suporte e foi criada pelos operadores do CINFU para dar formação aos seus alunos em programação manual. Esta é montada no robô e utilizada para desenhar padrões em folhas de papel suportadas por caixas de cartão pois, devido à inexperiência dos alunos, eram comuns as colisões de ferramentas com as peças. Com esta solução, mesmo que haja uma colisão, a ferramenta não fica danificada pois as caixas de cartão absorvem o impacto sem haver danos significativos quer do robô quer das ferramentas. Figura 4-3 – Ferramenta caneta montada no suporte do spindle. O primeiro passo foi retirar o spindle do suporte e substitui-lo pela caneta. De seguida montou-se no robô a ferramenta ponteira que foi calibrada durante a formação no robô. Como a ponteira se encontra calibrada, as coordenadas da ponta são conhecidas e vão servir como referência para a calibração da caneta e assim criar um plano de ferramenta na ponta desta. No menu de jogging deve-se indicar que se está a utilizar a ferramenta Ponteira selecionando o plano de ferramenta calibrado anteriormente, caso contrário não serão as coordenadas da ponta da ponteira que serão memorizadas. Em seguida foi utilizado o método TCP, com a variável robhold em FALSE para se calibrar o plano de ferramenta da caneta. Foram medidos quatro pontos fazendo jogging e aproximando o máximo possível a ponta da ponteira da ponta da caneta. Após calcular a média dos pontos memorizados é-nos dado 28 as coordenadas da ponta da caneta [5]. O suporte de spindle em que a caneta foi colocada tem uma elevação de 60º em relação ao plano XY da base do robô. Quando a ferramenta, neste caso a caneta, é colocada neste suporte vai ficar com uma elevação de -30º em relação ao mesmo plano. Este foi portanto o valor utilizado para calcular o vetor de direção da ferramenta, visto que o método TCP não nos permite obter uma direção, apenas as coordenadas de um ponto e os outros métodos são pouco precisos. 4.3.2. Modelação da célula em CAD O PRI utiliza modelos virtuais da célula robótica para proceder à simulação de percursos de maquinagem. A célula virtual deve por isso ser modelada o mais próximo da realidade possível para que a simulação seja rigorosa. Os erros nas simulações mais comuns são singularidades, colisões e alcance dos limites dos eixos. Caso não esteja corretamente modelada a célula, pode acontecer que hajam simulações que não apresentem quaisquer erros mas que na realidade haja uma colisão, o que pode danificar o robô ou outros elementos da célula. O robô é “cego” e se não lhe for indicado onde se encontram os elementos da célula (bancas, paletes, spindle, etc) ele pode vir a chocar com os mesmos devido à trajetória que calculou não ter em consideração que deveria se desviar de um determinado objeto. Utilizando o robô com o objeto de trabalho World e a ferramenta Ponteira selecionados fez-se engenharia inversa à célula. Para o efeito criou-se uma nova rotina no módulo pré existente “CINFU.MOD” e sempre que se pretendia saber a coordenada de um ponto algures na célula, era apenas necessário memoriza-lo com a instrução MoveL. Era posteriormente extraído das instruções MoveL as coordenadas X, Y e Z desses pontos memorizados. Uma vez obtidos todos os pontos necessários procedeu-se à alteração do ficheiro CAD do robô. Com o auxilio do software CAD PowerSHAPE e das coordenadas adquiridas criou-se então a banca e o suporte do spindle, acrescentando estes elementos ao modelo do robô que já existia, fornecido pelo engenheiro Alexandre Bastos da DELCAM. 29 Figura 4-4 – Primeira versão da célula virtual com incorporação da banca do spindle. 4.3.3. Exportar as alterações da célula robótica O modelo virtual da célula é guardado em vários ficheiro com extensão .dmt. Cada um destes ficheiros corresponde a uma parte do robô ou da célula. No caso da banca do spindle que foi criada, esta parte do desenho CAD será exportada num ficheiro independente denominado spindle.dmt. Este ficheiro será guardado com os restantes que compõe as várias partes do robô na pasta ABB CINFU. Como esta parte da célula não existia é necessário fazer o PRI reconhece-la. Para isso adiciona-se uma entrada no ficheiro IRB240016_CINFU.mtd. Este ficheiro organiza as várias partes da célula e correlaciona os movimentos dos vários eixos entre si. Para se adicionar o spindle acrescentam-se as seguintes linhas de código: <!--Spindle fixo--> <machine_part NAME="Spindle"> <model_list> <dmt_file> <path FILE="ABB/Spindle.dmt" /> <rgb R="255" G="110" B="0" /> </dmt_file> </model_list> </machine_part> Esta sequencia de código XML contem um comentário inicial que indica que o spindle é fixo, define uma nova machine part, indica a localização do ficheiro .dmt correspondente à banca do spindle e a cor do mesmo em RGB. No caso dos elementos que compõe os eixos do robô existe uma secção de código sobre os limites de rotação [6]. 30 <machine_part NAME="RobotAxis2"> <axis> <control_info ADDRESS="B" MIN="-105" MAX="105" PRIORITY="AUTO" HOME="0" VALUE="0"/> <simple_rotary X="100.0" Y="0.0" Z="615" I="0" J="1" K="0" /> </axis> <model_list> <dmt_file> <path FILE="ABB/BC.dmt" /> <rgb R="255" G="110" B="0" /> </dmt_file> </model_list> </machine_part> Este código encontra-se encapsulado entre si de forma a que o movimento dos eixos posteriores sejam dependentes dos que lhes antecedem. Portanto, a informação do sexto eixo está encapsulada no quinto eixo, estando a do quinto eixo encapsulada no quarto e assim sucessivamente. Assim, movendo o eixo 1 fará mover todos os seguintes enquanto que mover o eixo 5 apenas fará mover o eixo 6 e não os anteriores. Isto é crucial para a sinergia da célula virtual. No ficheiro IRB2400-16_CINFU.mtd é necessário alterar também as coordenadas do plano de ferramenta para as coordenadas da calibração da caneta. Para o efeito é necessário modificar a seguinte linha de código [6]: <!-- Where the tool is attached (from world workplane) --> <head_attach_point PART="head" X="0" Y="0 Z="0" I="0" J="1" K="0" U="0" V="0" W="0" /> Figura 4-5 –Numeração dos eixos do IRB-2400. 37 Neste projeto decidiu-se que o modelo do spindle seria totalmente criado pelo PowerMILL através do menu de criação de ferramenta, adicionando hastes à ferramenta esférica. Figura 4-13 –Nova configuração da célula. a) Célula virtual. Eixo de ferramenta (Azul) localizado no centro do suporte do spindle. b) Calibração do spindle com o auxílio da ferramenta ponteira. Em seguida procedeu-se ao reposicionamento da peça para uma posição favorável à maquinagem. Utilizou-se a posição inclinada a 90º em Z de forma a evitar singularidades. Esta posição foi calculada segundo um eixo criado na base da peça e movido 275 mm segundo o eixo Z e -90 mm segundo o eixo do X, com rotação de -90º em X e 90º em Z (usando o sexto eixo como referência). Figura 4-14 – Posicionamento da peça. 38 4.4.3. Simulação Uma vez posicionada a peça procede-se à simulação dos dois percursos no PRI. Foi necessário rodar a peça em torno do eixo do Z da ferramenta de forma a obter uma posição inicial da qual não resultassem erros como, limites de eixo, singularidades ou colisões. Após várias tentativas e experimentando várias posições iniciais foi encontrada a posição mais favorável para cada uma das estratégias. Figura 4-15 – Simulação dos percursos. 4.4.4. Pós-processamento Para exportar os percursos para o robô é necessário proceder ao pós processamento. Cria-se um novo programa NC e adicionam-se ambos os percursos a este e, utilizando a ferramenta de cálculo de planos de trabalho, procede-se ao preenchimento da lista de parâmetros, nomeadamente calculando o plano de trabalho de ferramenta e o objeto de trabalho e copiando esses valores para as variáveis do ficheiro .MOD (Vid Figura A-7 dos Anexos) . Figura 4-16 – Pós Processamento 39 Figura 4-17 – Cálculo de planos de trabalho do robô. Por fim procede-se à exportação dos ficheiros do programa NC correspondentes ao desbaste, acabamento e a rotina de chamada. A rotina de chamada foi exportada com o nome “cowling”, que é o nome que foi dado ao programa NC mas, antes de a inserir no controlador do robô, foi alterado o nome do ficheiro para “MainModule” para que esta substituísse o modulo de chamada presente no robô. É no MainModule que estão declaradas as variáveis correspondentes ao plano de ferramenta e ao objeto de trabalho. De forma a este processo ser facilitado pode-se criar o programa NC já com o nome de MainModule mas pode implicar confusão entre ficheiro na hora de organizar os ficheiros no controlador do robô. Fica à decisão do utilizador utilizar ou não esta metodologia de trabalho. Figura 4-18 – Ficheiros dos módulos criados pelo pós-processador. 40 4.4.5. Maquinagem no Robô Para se proceder à simulação no robô foi necessário fabricar um bloco de trabalho com as mesmas dimensões do bloco da peça criado no PowerMILL. Procedeu-se ao corte de um bloco de poliuretano expandido na oficina com 210x100x55 mm. Este bloco foi montado no suporte de madeira utilizado no primeiro projeto na mesma posição que o bloco da simulação. Este é um passo bastante crítico pois caso este não esteja na posição correta a maquinagem não será bem executada e a peça será descartada por defeito. Figura 4-19 – Bloco de Poliuretano expandido. 41 Neste fase do trabalho, e como era a primeira vez que se iria testar o spindle da célula, foi detetado um erro. Quando se arrancava com qualquer um dos programas de maquinagem o spindle não ligava e consequentemente a fresa não se movia. Após consulta de alguma bibliografia e de ficheiros MOD. de trabalhos anteriores de programação manual realizados pelo CINFU, verificouse que era necessário acrescentar uma chamada de sinal nos ficheiros dos programas de maquinagem. O spindle está conectado numa banca com PLC e apenas se liga se for feita uma chamada de sinal específica feita pelo controlador. Para se continuar com o trabalho foi inserido manualmente com um editor de texto as linhas de código correspondentes ao sinal de ligar e desligar o spindle nos ficheiros dos percursos de maquinagem. As linhas de código inseridas foram as seguintes: Set Q27P4ActivrRebrb; - Liga o spindle Reset Q27P4ActivrRebrb; - Desliga o spindle De forma a facilitar o trabalho, este código foi inserido no pós processador e vai ser incluído automaticamente em todos os programas exportados no futuro. Os ficheiros dos módulos correspondentes ao projeto “cowling” foram carregados no controlador e o processo de maquinagem foi executado em modo automático com sucesso. Figura 4-20 – Resultado do desbaste da peça “cowling” no robô. 42 4.5. Projeto de maquinagem a 5 eixos De forma a simular e maquinar uma peça com estratégias de 5 eixos foi iniciado um novo projeto. Neste projeto procedeu-se também a uns ajustes finais na célula robótica de forma a que esta ficasse o mais otimizada possível na simulação e exportação de novos projetos. Isto permitiu simplificação e poupança de tempo na execução deste e de futuros projetos de maquinagem. 4.5.1. Otimização da célula Calibração de Spindle Para otimizar a célula foi necessário proceder a uma calibração de spindle utilizando a ferramenta de calibração do PRI. Figura 4-21 – Menu de calibração de spindle Como foi descrito anteriormente, o robô possui 3 métodos para criar calibrações de ferramenta: TCP, TCP Z e TCP XZ. Este métodos utilizam entre 4 e 9 pontos para calcular a média das coordenadas X, Y e Z correspondentes à ponta da ferramenta. O problema que surgiu é que nenhum destes métodos pode ser diretamente usado com a ferramenta do PRI pois esta necessita de 3 médias para duas ponteiras de calibração diferentes. Devido a esta limitação do controlador do robô foi necessário fazer uma adaptação entre os dois métodos. 43 4.5.2. Medições no robô: Para iniciar este processo de calibração, foi necessário fabricar no torno do CINFU duas ponteiras para servirem de referência. Figura 4-22 – Duas ponteiras de calibração fabricadas no torno CNC e uma fresa esférica de 6mm de diâmetro. Em seguida, montou-se a ferramenta ponteira no robô, que estava calibrada segundo o sexto eixo. A ponta desta ferramenta irá ser o ponto de referência para medir as ponteiras agora fabricadas, fazendo jogging ao robô em torno destas. O procedimento é o mesmo para as duas ponteiras, curta e longa. Após ter a ponteira do robô acoplada neste, coloca-se a ponteira curta no lugar da ferramenta, no spindle. Aproximam-se as duas pontas das duas ponteiras até estas estarem praticamente em contacto uma com a outra. No controlador, abre-se uma nova calibração de spindle do tipo TCP de 5 pontos e com a variável robhold definida como FALSE. Tendo a primeira posição preparada faz-se “ensinar” para gravar a coordenada da posição atual no ponto 1. De seguida, faz-se jogging do robô para outra posição e aproximam-se as pontas das ferramentas novamente até estas estarem praticamente em contacto. Tendo a nova posição pronta, faz-se novamente “ensinar” para gravar as coordenadas do ponto 2. Repete-se este processo de jogging e de gravação para os 3 pontos restantes. Estando os 5 pontos preenchidos faz-se “ok” e o controlador calcula o ponto médio. Este ponto médio agora calculado é apenas o “Ensaio 1” na tabela de calibração do PRI. Portanto, é necessário criar mais 2 calibrações no robô para a ponteira curta, cada uma delas com 5 pontos e posteriormente criar mais 3 calibrações, também de 5 pontos cada 44 para a ponteira longa. No final é também necessário medir o comprimento das ponteiras bem como o comprimento da ferramenta montada no spindle e inserir esses valores na tabela de calibração do PRI. Figura 4-23 – Calibração da ferramenta e medição dos comprimentos das ponteiras. Com as medições efetuadas obteve-se então a tabela de calibração do PRI completamente preenchida. Figura 4-24 – Preenchimento da tabela de calibração de ferramentas com os dados recolhidos. 45 Ao clicar no botão “Verificar” o PRI calcula o ponto de fixação da ferramenta e o vetor do eixo da ferramenta. Estes valores são depois utilizados no modelo CAD para reposicionar o ponto de fixação e o eixo da ferramenta e permitenos desenhar o spindle na posição correspondente à realidade da célula. O botão “Verificar” cria também dentro do PowerMILL um plano de trabalho localizado no ponto de fixação da ferramenta. Infelizmente foi detetado que este plano de trabalho era incorretamente calculado e criado pelo software pois, embora as coordenadas da ponta da ferramenta e a orientação estivessem corretas, este vetor era desenhado em função do sistema de coordenadas do sexto eixo quando deveria ser criado em função do sistema de coordenadas da base do robô, o referencial World, ou seja, não assumia que o spindle era fixo e calculava-o assumindo que este estava acoplado no sexto eixo do robô. Isto levou a um contacto com o engenheiro Alexandre da DELCAM que por sua vez entrou em contacto com os programadores do PowerMILL. Fomos então informados que era um erro que já tinha sido detetado e que uma correção iria acontecer na versão seguinte do programa. Figura 4-25 – Deteção do erro de criação do eixo de ferramenta. 46 Para inserir esta nova calibração de spindle no robô é necessário novamente alterar o ficheiro IRB2400-16_CINFU.mtd. Figura 4-26 – Edição da calibração do plano de ferramenta no ficheiro IRB240016_CINFU.mtd. 4.5.3. Modelos CAD e ficheiros .dmt Visando a otimização da célula robótica foi criado o modelo CAD da garra de dois dedos utilizada para segurar o suporte das peças. Como de momento não existe nenhum tipo de garra ou prensa disponível no CINFU específica para a função de pegar em peças para maquinagem, foi necessário continuar a trabalhar com a garra 2D. No caso de no futuro o CINFU vir a adquirir este tipo de equipamento, estão descritos nesta dissertação os procedimentos a executar de forma a incorpora-la na célula robótica e assim esta passar a fazer parte da célula virtual do PRI. A garra de dois dedos foi criada em PowerSHAPE e exportada sob a forma de um ficheiro .dmt e colocada na mesma pasta que os restantes ficheiros .dmt que compõe o robô. 53 Conclusões Embora tenha sido necessário ultrapassar inúmeros obstáculos, desde o relacionamento interpessoal até aos problemas técnicos inerentes à configuração da célula robô para esta nova aplicação, os resultados abrem as portas a novas aplicações. Foi assim alcançado o objetivo de utilizar esta célula robótica para maquinagem, mas também para uma utilização genérica em programação offline: uma vez que o PowerMILL Robot Interface se encontra corretamente configurado e existindo agora os conhecimentos necessários, passa a ser possível criar trajetórias em ambiente CAM com completa simulação das trajetórias de fresagem, furação ou corte. Estão assim criadas as condições para desenvolver a aplicação de rebarbagem de peças de fundição. Aqui os desafios prender-se-ão por exemplo com o suporte da peça, a programação de estratégias avançadas de 5 eixos e naturalmente o problema inerente às vibrações. A nível pessoal, este estágio constituiu não só um desfio, mas sim a entrada numa nova área tecnológica de elevado potencial. A aprendizagem realizada e os conhecimentos adquiridos permitem encarar potenciais saídas profissionais nesta área. 54 Referências Bibliográficas [1] CINFU. (2010, 09-04-2015). Bem-vindo ao Cinfu. Available: http://www.cinfu.pt/index.php/component/content/article/3-breves/89-bem-vindo-ao-cinfu [2] CINFU. (2010, 09-04-2015). Formação Profissional. Available: http://www.cinfu.pt/index.php/component/content/article/3-breves/3-forma-profissional [3] NORCAM - Engenharia e Design Industrial. (2015, 09-04-2015). Available: http://www.norcam.pt/home/a-norcam/ [4] ABB, Product manual - IRB 2400. Västerås, Sweden: ABB AB - Robotics Products, 2013 [5] ABB, Operating manual - IRC5 with FlexPendant. Västerås, Sweden: ABB AB - Robotics Products, 2013. [6] Delcam, "PowerMILL Robot – Training," [Apresentação]. Birmingham, UK: Delcam, 2012. [7] Delcam, "PowerMILL - Training Course," [Manual]. Birmingham, UK: Delcam, 2012. [8] Delcam, "PowerMILL 5-axis - Training Course," [Manual]. Birmingham, UK: Delcam, 2012. 1 A. Anexos Figura A-1 – Elementos constituintes do controlador da célula robótica: a) Flexpendant; b) Painel de controlo; c) Botões de acionamento da célula, ligação dos motores, seleção do modo de funcionamento e interrupção de emergência. a) b) c) 2 Figura A-2– Alcance do robô ABB IRB 2400-16. Figura A-3 –Robô do CINFU a executar uma rotina de trabalho criada durante a formação. 3 Figura A-4 – Tipos de singularidades Figura A-5 – Erro de singularidade do primeiro projeto. 4 Figura A-6 – Resultado do primeiro projeto. Após desenhar o padrão o robô coloca a peça num suporte posicionado numa mesa. Rotina criada com programação manual. Figura A-7 –Lista de parâmetros do pós processador no projeto cowling.