Conceção do layout de uma célula de soldadura robotizada: boas práticas

Conceção do layout de uma célula de soldadura robotizada: boas práticas Layouts mal concebidos para células de soldadura robotizada custam aos fabricantes de estruturas dezenas de milhares de dólares em retrabalho, tempo de fabrico perdido e incidentes de segurança que poderiam ter sido evitados. Poucas decisões de compra tomadas antes de o aço ser cortado ou de um robô ser fixado ao chão da fábrica fazem a diferença entre uma célula que funciona de forma fiável com 90% de disponibilidade e outra que mal consegue manter-se a funcionar com 60%. Este guia aborda os principais aspetos a considerar — alcance do robô, dispositivos de fixação, simulação da sequência de soldadura, segurança e custos de equipamento de capital para células pré-concebidas e personalizadas — para acertar à primeira.

O que inclui o layout de uma célula de soldadura robotizada?

O layout de uma célula de soldadura robotizada define a disposição dos robôs, posicionadores, dispositivos de fixação, sensores, barreiras de segurança e percursos de movimentação de materiais num espaço de chão de fábrica bem delimitado, concebido para produzir soldaduras consistentes, respeitando o tempo de ciclo pretendido e protegendo todas as pessoas contra a radiação do arco, a exposição a fumos e os movimentos dos equipamentos robotizados. Cada decisão sobre a localização dos componentes afeta a taxa de produção, a capacidade do processo e os custos de operação. Uma conceção adequada do layout começa pelo planeamento do fluxo de trabalho. Deve elaborar um mapa detalhado do percurso de cada componente, desde a entrega da matéria-prima, passando pela fixação, soldadura e arrefecimento, até à descarga do conjunto embalado. Se conceber uma célula de soldadura robotizada que obrigue os operadores a entrar no envelope de trabalho da máquina para carregar peças, acabará por ter um acidente de trabalho ou uma quebra acentuada da produção. A disposição dos componentes deve acompanhar o fluxo de trabalho. Em cada sistema de soldadura robotizada, o braço robótico deve ser posicionado de modo a alcançar todas as juntas de soldadura sem reposicionamento. Cada posicionador fica dentro desse envelope. Os dispositivos de fixação são montados no posicionador. Os sensores, as estações de limpeza de bicos e os trocadores de ferramentas ficam agrupados no lado da célula oposto ao operador, onde são facilmente acessíveis para manutenção, mas ficam fora do percurso de trabalho. O espaço necessário no chão de fábrica é determinado pelo fluxo de materiais. Sempre que possível, as zonas de carga e descarga devem ficar lado a lado, para que o operador possa pousar um conjunto acabado sem dar mais do que um ou dois passos e, ao mesmo tempo, preparar um novo conjunto de peças em bruto na estrutura. As zonas de segurança definem o perímetro do layout de uma célula de soldadura robotizada. Cortinas de luz, vedações físicas, encravamentos e paragens de emergência delimitam as zonas onde as pessoas podem ou não estar durante o funcionamento do robô. Estas zonas devem cumprir a ANSI/RIA R15.06-2012, que rege a integração de sistemas de robôs industriais nos Estados Unidos (Normas de robótica da OSHA). Com base em mais de 1000 projetos de automatização da soldadura que entregámos, as boas decisões de layout tomadas na fase inicial de conceção determinam quase 80% da taxa de produção de longo prazo de uma célula. Mudar um posicionador depois de o betão ter sido colocado e as condutas instaladas custa 10X mais do que custaria no papel.

Componentes essenciais de uma célula de soldadura

A eficácia da sua célula de soldadura robotizada depende do seu elemento mais fraco. Todos os equipamentos de movimentação de materiais têm de ser dimensionados, integrados e selecionados para funcionarem em conjunto com os restantes componentes da célula. Veja como escolher cada elemento para a sua célula de robôs de soldadura, pronta para produção. Embora o robô industrial seja o elemento central, é muitas vezes o posicionador que determina se a célula consegue cumprir o tempo de ciclo. Esse posicionador acionado por servomotor permite que o robô execute a soldadura segundo um percurso programado, com todas as juntas na posição plana — a orientação mais rápida e de melhor qualidade —, rodando a peça de trabalho em vez de obrigar os braços de soldadura a trabalhar em posições elevadas e verticais perigosas. Os dispositivos de fixação exigem mais atenção na conceção do que aquela que a maioria das oficinas lhes dedica. A fixação para soldadura robotizada exige tolerâncias mais apertadas do que a soldadura manual. Como o robô está programado para seguir um percurso, não consegue adaptar-se no momento como um soldador experiente. As especificações publicadas pela Lincoln Electric exigem uma precisão de fixação de 0.022″ ao utilizar fio de 0.045″ — aproximadamente metade do diâmetro do fio.

Dimensione sempre o posicionador para a peça mais pesada, incluindo o peso do dispositivo de fixação — o subdimensionamento é o erro mais comum e mais dispendioso no planeamento de uma célula de soldadura.

Se está a escolher a sua primeira célula de soldadura robotizada, um posto de soldadura robotizada com um robô e posicionador integrado e resguardo de segurança cobre a maioria das aplicações padrão sem a complexidade de um layout com vários robôs.

Como o alcance do robô e as dimensões da peça determinam o layout

Os robôs industriais de 6 eixos concebidos para soldadura podem ter envelopes de alcance desde 650mm, no caso das unidades de bancada mais pequenas, até mais de 3 000mm, para grandes estruturas (guia da Standard Bots). As dimensões da peça a soldar determinam o robô a selecionar e, por sua vez, essas dimensões determinam todas as outras medidas do layout da célula. A seleção do robô segue uma regra: dimensione-o para a peça maior. Instalar um robô pequeno para uma peça grande é insensato: o robô só consegue alcançar algumas das juntas de soldadura sem reposicionar a base — o que aumenta o tempo de ciclo, exige ancoragens no chão e torna a programação mais complexa. Instalar um robô grande para peças pequenas é ainda mais insensato: a inércia mais elevada pode prejudicar a qualidade da soldadura em material de pequena espessura, uma vez que o robô ultrapassa a posição pretendida a velocidades elevadas. Conceba a célula para a peça mais pesada. Bernard e Tregaskiss recomendam dimensionar toda a célula — a carga útil do posicionador, a força de aperto do dispositivo de fixação e a carga útil do robô — para a peça de trabalho maior e mais pesada da gama. É muito mais fácil soldar uma peça pequena num dispositivo de fixação sobredimensionado do que encaixar a peça pesada numa célula mais pequena. Conceber a célula de soldadura para a peça de trabalho maior evita alterações dispendiosas quando a produção passa a incluir conjuntos mais pesados. Em algumas combinações, a capacidade de carga e as dimensões são tão importantes como o alcance. Um braço robótico com apenas 2 000 mm de alcance, mas uma carga útil de 6 kg, não consegue transportar uma tocha MIG pesada e o respetivo alimentador de fio. O peso da tocha, o conjunto de cabos e tudo o que estiver montado na extremidade contam para a carga útil indicada para o robô. Excedê-la em cem gramas ou três pode provocar falhas dos servomotores, desvios do percurso e avarias prematuras nas juntas, afetando a consistência da soldadura ao longo de toda a produção.

Soldar no limite do envelope de alcance provoca ângulos inconsistentes da tocha, má qualidade da soldadura e desgaste acelerado dos cabos. Mantenha sempre as juntas de soldadura críticas dentro de 85% do alcance máximo do robô.

Ao planear o layout da célula, desenhe no plano do chão de fábrica um círculo correspondente a 85% do alcance. Todas as juntas de soldadura de todas as peças da sua gama devem ficar dentro desse círculo. Se soldar no limite e uma dessas juntas ficar fora dele, escolha um robô maior ou acrescente um posicionador para aproximar a peça de trabalho.

Redução do tempo de ciclo através da sequência de soldadura e do layout

O layout e a sequência de soldadura são indissociáveis. A forma como o robô solda cada junta influencia o equilíbrio da energia térmica, o controlo da distorção e o tempo de ciclo total; o layout físico da célula pode facilitar ou dificultar a sequência de soldadura. Os dados confirmam as vantagens de uma conceção comprovada. Um estudo publicado no ResearchGate registou uma redução de 12,7% no tempo de ciclo, obtida apenas ao reordenar a sequência de soldadura numa célula de soldadura robotizada para o setor automóvel: dois robôs reduziram o ciclo de 532 segundos em 68 segundos, para 464 segundos. Outro caso, descrito no livro TOA-SE, reduziu o tempo de ciclo em 45% ao passar de um layout com dois robôs para um layout com seis robôs e várias estações — mesmo com uma taxa de produção superior, a célula concluiu o trabalho mais depressa: Os posicionadores acionados por servomotor regulam a sequência de soldadura rodando a peça de trabalho por posições enquanto o robô executa a maior parte das operações de soldadura. A energia térmica é utilizada de forma mais eficiente, a distorção é minimizada e todas as juntas ficam na posição plana, onde o metal de adição pode ser depositado rapidamente e com menos defeitos. O processo de soldadura é mais rápido quando a gravidade ajuda, em vez de dificultar, a deposição. Um posto de soldadura robotizada com posicionador de duas estações permite que oficinas mais pequenas tirem partido desta eficiência de trabalho em paralelo, sem precisarem de um sistema alimentado por transportador, separado por um resguardo de segurança: O essencial: a boa qualidade da soldadura e os ciclos rápidos não são incompatíveis. Um layout concebido para favorecer uma boa sequência de soldadura permite obter ambos, e a produtividade aumenta a cada turno em que a linha funciona:

Simulação e programação offline antes da construção

O software de programação offline permite aos engenheiros programar o robô num modelo virtual da célula antes de instalar qualquer equipamento físico. Segundo a Visual Components, a programação offline pode ser até 10x mais rápida do que a programação com consola de ensino — num caso documentado, o software de programação offline reduziu o tempo de programação de 13 horas para menos de 3 horas. A velocidade, porém, não é o principal motivo para recorrer à simulação. O principal é a verificação de colisões. A simulação consegue detetar interferências entre a tocha, os grampos dos dispositivos de fixação e até o posicionador antes de ocorrerem colisões físicas. O software de simulação pode confirmar se o robô consegue alcançar todas as juntas de soldadura pela sequência programada antes de lhe ser apresentada uma peça real. O software também pode validar se as rotações do posicionador não fazem as peças embater com demasiada força na base do robô nem colocam os limites de curvatura dos cabos em risco: As verificações de alcance nas fases iniciais da conceção evitam os erros de layout mais dispendiosos. Quando a simulação mostra que o robô não consegue alcançar uma junta de soldadura num determinado ângulo do posicionador, pode regressar ao computador e alterar o layout da célula — talvez deslocando a base do robô 200mm, ajustando a altura do posicionador ou rodando o dispositivo de fixação. Nenhuma destas alterações custa dinheiro na simulação, mas cada uma pode custar milhares em equipamento. Simule o layout da célula de soldadura com programação offline antes de se comprometer com a compra do equipamento. Os testes de interferência dos dispositivos de fixação são realizados em paralelo com as verificações de alcance. A simulação importa o modelo CAD do dispositivo de fixação e confirma se os pontos de aperto bloqueiam o acesso a alguma junta de soldadura. Se for esse o caso, o dispositivo de fixação é revisto antes do fabrico. Esta única verificação elimina o que consideramos a causa mais comum dos atrasos na instalação de novas células: dispositivos de fixação que parecem adequados em desenhos 2D, mas causam todo o tipo de problemas em 3D.

Simule o layout da célula de soldadura antes de cortar o aço. Um investimento de $5 000 em simulação pode evitar $50 000 em retrabalho.

Depois de o layout da célula estar programado e validado por simulação, a construção física da célula resume-se à montagem. Os computadores de controlo dos robôs são fornecidos com programas funcionais, os dispositivos de fixação chegam calibrados e prontos a instalar, e o tempo de colocação em serviço passa de semanas para dias.

Células de soldadura robotizada pré-concebidas ou personalizadas

Quem constrói uma célula de soldadura robotizada tem duas opções: comprar um conjunto padrão ou conceber um sistema personalizado? Ambas respondem a necessidades legítimas dos clientes e ambas podem gerar desperdício se a escolha for inadequada. As células de soldadura com robôs colaborativos tornaram-se uma solução da indústria para este dilema. Para instalações de entrada, $25 000-$50 000 permitem adquirir uma célula de soldadura com robô colaborativo como alternativa às vedações de segurança e às limitações de espaço de uma célula com robô industrial. Mais pequenos e mais lentos do que os robôs industriais, os robôs colaborativos permitem adaptar a automação robotizada na célula de trabalho, exigindo pouca reprogramação depois de definido o processo inicial. A combinação de posicionadores de dimensões padrão, ajustadas às dimensões médias das peças de trabalho, com menos de cinco famílias de peças por encomenda, torna uma célula pré-concebida a melhor opção em termos de ROI. O sistema de automação industrial chega à doca de carga testado e calibrado, pronto para produzir peças em poucos dias. Quando as peças de trabalho são maiores e mais variadas, e existem necessidades específicas de soldadura e diferentes requisitos de movimentação de materiais, vale a pena investir numa célula robotizada personalizada. As comparações de custos sustentam estas opções: dados fiáveis de parceiros da indústria indicam um ROI de 1-3 anos na maioria dos sistemas de soldadura robotizada, com poupanças de até 50% nos custos de materiais em aplicações de soldadura de grande volume. A utilização, mais do que os custos de capital, determina o prazo de retorno do investimento global. Uma célula personalizada de $150 000 utilizada em dois turnos compensa mais depressa do que uma célula pré-concebida de $75 000 utilizada num único turno, com 60% de utilização. Um layout de célula que reserva espaço para crescer facilita futuras expansões. O investimento de planeamento deve deixar espaço num dos lados da célula, pelo menos, para um segundo robô ou outra estação de posicionamento. Um planeamento inteligente das condutas — gás, alimentação elétrica e dados — com capacidade de reserva permite atualizar o sistema para soldadura de grande volume no futuro, sem demolir e reconstruir toda a fábrica. Se a sua oficina se prepara para colocar em serviço o primeiro projeto de soldadura robotizada, explore células de soldadura pré-configuradas, concebidas para produção — estas incluem as aplicações robotizadas mais comuns para estruturas metálicas, trabalho em chapa e fabrico geral, com layouts comprovados, prontos para envio para soldadura. Conceber uma célula com robótica e consumíveis pré-validados poupa meses de trabalho inicial de conceção.

Zonas de segurança e conformidade na conceção de células de soldadura

A ANSI/RIA R15.06-2012 é a norma a cumprir em matéria de segurança de robôs industriais nos Estados Unidos. Abrange o fabrico e a instalação de sistemas robotizados e é também a norma a que a OSHA recorre durante as inspeções de instalações robotizadas. A OSHA não dispõe de um regulamento específico para sistemas robotizados, mas os seus inspetores e os empregadores recorrem à ANSI/RIA R15.06 e à cláusula de dever geral para determinar se o layout de uma célula de soldadura robotizada é seguro (Loja online da ANSI). É necessário documentar uma avaliação de riscos antes de encomendar qualquer equipamento de segurança para uma célula de soldadura robotizada. Esta avaliação deve identificar os perigos — radiação do arco, fumos de extração, pontos de entalamento, salpicos projetados e movimentos do robô — e definir medidas de controlo. Sem uma avaliação de riscos, a pressão para cumprir os objetivos do projeto pode levar a omissões na conceção que comprometam a segurança da instalação concluída. A Parte 2 da ANSI/RIA R15.06 exige esta avaliação em todas as instalações de robôs novas ou alteradas, independentemente do tipo de aplicação robotizada ou do volume de produção. Estas boas práticas correspondem às verificações de segurança que analisará connosco antes de aprovar o layout da célula:

• ✔ Realizar uma avaliação de riscos de acordo com a Parte 2 da ANSI/RIA R15.06, documentada e assinada por um integrador qualificado
• ✔ Instalar proteções físicas — vedação perimetral, cortinas de luz nas aberturas de carga e descarga e encravamentos nas portas com bloqueio da alimentação
• ✔ Colocar paragens de emergência ao alcance do braço em todos os postos do operador e pontos de acesso para manutenção
• ✔ Instalar extração de fumos de soldadura em conformidade com os requisitos da AWS Z49.1 — extração localizada junto ao arco, não apenas ventilação geral da oficina
• ✔ Disponibilizar EPI — capacetes de soldadura com escurecimento automático para os trabalhadores nas proximidades e cortinas de proteção contra o arco para proteger os postos de trabalho adjacentes
• ✔ Proteger contra salpicos os sensores, os cabos e todas as juntas expostas do robô — a acumulação de salpicos provoca desvios nos sensores e desgaste acelerado dos cabos
• ✔ Estabelecer um programa de inspeção regular dos bicos de contacto consumíveis, dos alargadores das estações de limpeza de bicos e dos difusores de gás
• ✔ Afixar procedimentos de bloqueio e etiquetagem em cada portão de acesso, para permitir a entrada na área de trabalho do robô durante a manutenção

As células de soldadura MIG e por pontos geram mais salpicos do que qualquer outro tipo de processo de soldadura, e estes atingem tudo o que se encontra dentro do resguardo. É necessário proteger os dispositivos de fixação de soldadura, as lentes dos sensores, os feixes de cabos e a superfície do posicionador. A aplicação de composto antissalpicos nas superfícies dos dispositivos de fixação e os ciclos regulares de limpeza dos bicos evitam a acumulação gradual que degrada a qualidade da soldadura ao longo de semanas de produção. As boas práticas de segurança não são um centro de custos — são um investimento na produtividade. Uma célula de soldadura robotizada que reduza as preocupações dos operadores e não imponha restrições desnecessárias permite trabalhar mais horas por turno do que um layout que deixe os trabalhadores apreensivos em relação à zona de carga. Evitar incidentes, organizar bem o fluxo das peças e a sequência de soldadura reduz o tempo de inatividade e prolonga a vida útil de todo o sistema.

Perguntas frequentes

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