Programação de robôs de soldadura: métodos online e offline explicados

Ao avaliar um robô de soldadura ou comparar opções, os fabricantes começam geralmente por analisar o alcance, a carga útil e o ciclo de trabalho. Estas especificações são importantes. Mas o que determina se o seu projeto de automatização passa do plano para o chão de fábrica — ou fica bloqueado durante meses? É o método de programação. O método de programação determina quanto tempo demora a preparar uma peça nova, que competências são necessárias para programar o trabalho e quanto tempo de paragem a célula de soldadura robotizada terá de suportar sempre que muda de série. Um robô que executa perfeitamente as tarefas de soldadura, mas exige seis horas de reprogramação, pode tornar-se um problema numa oficina flexível. E um sistema que se programa em dois minutos só tem valor se a equipa puder confiar no resultado. Este relatório analisa os três principais métodos de programação de robôs de soldadura, para ajudar a determinar qual é o mais adequado à sua oficina. Use-o como guia para avaliar a programação da soldadura robotizada ou conceber a sua solução de automatização.

Porque é que o método de programação é o principal fator de adoção do sistema

Segundo a International Federation of Robotics, as instalações de robôs em todo o mundo atingiram 541 302 unidades em 2023, sendo a soldadura por arco e a soldadura robotizada algumas das aplicações mais comuns. A adoção varia muito entre oficinas e, muitas vezes, o obstáculo não é o custo. É a dificuldade de integração. Embora os fornecedores de robôs e os integradores já disponibilizem ferramentas para automatizar a programação, o método escolhido tem de se adequar à oficina. Muitas das iniciativas de soldadura robotizada que não tiveram sucesso e que conhecemos falharam devido à incompatibilidade do método de programação, e não à tecnologia. Uma oficina que processa 200 referências de peças diferentes por mês não pode dedicar quatro horas ao ensino de cada novo percurso de soldadura. Uma linha que produz o mesmo suporte 50 000 vezes não precisa de uma solução sem ensino com visão artificial: uma configuração fixa com consola de programação funciona bem. A decisão depende de três fatores: variedade de peças (frequência de novos trabalhos), competências da equipa e tempo de paragem que a empresa pode suportar durante as preparações. Faça a escolha certa e o robô integrará o fluxo de trabalho como qualquer dispositivo de fixação fiável. Se a escolha não for adequada, o robô ficará parado enquanto o soldador mais experiente o programa manualmente — um período em que a produtividade do fabrico pode aumentar ou cair.

Método 1: programação com consola — funcionamento, vantagens e desvantagens

A programação com consola (também chamada ensino online) surgiu antes de todas as outras opções e continua a ser o método mais utilizado. Com uma unidade portátil — a consola de programação — o operador desloca fisicamente o robô por cada ponto de soldadura. Em cada posição, regista as coordenadas, os ângulos da tocha, o vetor de aproximação e o equilíbrio entre a interpolação das juntas (rotação dos eixos livres) e a interpolação linear (movimentos em linha reta). Depois de registar todos os pontos, define os pontos de início e fim do arco, ajusta os parâmetros de soldadura (velocidade de alimentação do fio, intensidade de corrente, tensão e velocidade de deslocação) e faz um ensaio a seco para verificar o resultado. Antes de começar, o operador tem de confirmar a localização e a orientação do TCP. O TCP (Tool Center Point) define a posição exata da tocha de soldadura numa célula robotizada, em relação ao pulso do robô. Se a localização do TCP diferir da posição real em 1–2 mm, todas as posições programadas herdam esse erro. Depois de calibrar a célula, poderá ser necessário corrigir uma ou duas posições se o ângulo da tocha tiver mudado durante a substituição do tubo-guia. É necessário recalibrar o TCP sempre que se substitui a tocha ou ocorre uma colisão. Consoante a aptidão, um operador de soldadura formado precisa de 40–80 horas de experiência prática antes de conseguir ensinar sozinho um ciclo de soldadura completo. A formação inclui movimentação do robô, orientação dos sistemas de coordenadas, sequências de início do arco e interface com a fonte de alimentação para soldadura. Para oficinas que utilizam processos de soldadura por arco MIG ou TIG em peças simples e repetitivas, a programação com consola continua a ser uma opção comprovada.

Método 2: programação offline (OLP) — geração de percursos com CAD

A OLP transfere o trabalho do chão de fábrica para o computador. O programador carrega no software OLP um ficheiro CAD da peça de trabalho, identifica digitalmente as juntas e especifica os parâmetros de soldadura. Em seguida, executa uma simulação completa, que inclui deteção de colisões, análise do alcance e estimativa do tempo de ciclo do programa. Quando o programa virtual corresponde aos requisitos, é exportado para o controlador do robô e transferido para o sistema de soldadura real. Programadores adicionais podem sincronizar vários robôs em células de trabalho partilhadas e coordenar posicionadores, evitando colisões entre braços. A principal vantagem é que o robô pode continuar a soldar enquanto a equipa prepara o trabalho seguinte. Se a oficina funcionar em vários turnos, só este benefício poderá justificar o investimento na tecnologia. A OLP é mais adequada a oficinas com um departamento de controlo e um fluxo de trabalho CAD–CAM estabelecido. Se as peças forem fornecidas em desenhos feitos à mão ou cortadas por plasma e as tolerâncias rondarem os 3-mm, a diferença entre a simulação e a realidade será frustrante. Considere uma abordagem híbrida: use a consola para as juntas de soldadura críticas e a OLP para os cordões mais simples. Antes de escolher software de programação de robôs, confirme que a plataforma suporta as marcas de robôs de soldadura utilizadas na sua oficina. Fabricantes de robôs de referência como FANUC, ABB e KUKA usam linguagens de controlador próprias, e nem todos os pacotes OLP fazem a conversão com a mesma eficácia. Algumas oficinas envolvem inspetores de soldadura certificados desde o início do ciclo de programação, para garantir que os programas de soldadura simulados cumprem as normas antes de abrir o primeiro arco e evitar retrabalho dispendioso na célula de soldadura. Esta disciplina pode gerar um ROI considerável quando evita a rejeição de um único lote de peças.

Método 3: programação sem ensino/adaptativa — baseada em visão artificial e AI

A programação sem ensino (também chamada programação sem aprendizagem ou adaptativa) dispensa o ensino manual e os modelos CAD. Utiliza sensores de visão artificial 3D com luz estruturada ou scanners de linha laser para analisar a peça, localizar as juntas, determinar os ângulos da tocha e gerar automaticamente todo o percurso de soldadura, sem programação prévia. O operador carrega a peça de trabalho, prime o botão de início e o robô trata do resto. Não se trata de ficção científica. A tecnologia de seguimento da junta existe há décadas, mas as versões mais antigas limitavam-se a corrigir um percurso previamente ensinado. Atualmente, a tecnologia de soldadura sem ensino determina o percurso através da análise da geometria da junta — localiza juntas mesmo em posições diferentes da mesma peça de trabalho, classifica cada junta (de ângulo, topo a topo, sobreposta ou de chanfro), escolhe os parâmetros de soldadura adequados e executa a oscilação da tocha. Não é necessário um programa específico para cada peça. Observámos oficinas a reduzir o tempo de programação de percursos de 45 minutos para menos de 2 com sistemas sem ensino. Mas o verdadeiro benefício não é apenas o tempo de ciclo: é permitir que um operador menos experiente trabalhe com a célula. Num mercado que continua a enfrentar falta de soldadores, isto vale mais do que a simples redução do tempo de ciclo. Em aplicações de soldadura de grande volume, até a soldadura robotizada básica já oferece maior repetibilidade e taxa de produção do que a soldadura manual.

Comparação do tempo de programação: a mesma peça, três métodos

Os números falam por si. Eis o tempo necessário para programar a mesma peça com cada método: um suporte normalizado em aço estrutural (chapa de 8 mm, 4 soldaduras de ângulo e cerca de 600 mm de comprimento total dos cordões). A oficina utilizou um operador ou programador experiente, não um recém-contratado no primeiro dia.

Nota: os tempos pressupõem um operador/programador com formação. A preparação inicial demora 2–3× mais. Processo de soldadura: GMAW (MIG) em aço macio. Pressupõe-se que o alcance e o acesso do robô são adequados para todos os métodos. Os dados de desempenho baseiam-se em valores de referência publicados em condições de ensaio segundo a ISO 9283 (critérios de desempenho de robôs).

Na soldadura robotizada, verifica-se uma relação clara: a consola de programação é eficaz quando as mudanças de série são pouco frequentes. A OLP é a melhor opção quando há modelos CAD disponíveis e é possível realizar a calibração. A programação sem ensino é ideal quando existe grande variedade de peças e os operadores não podem perder horas de produção valiosas a programar. Em qualquer caso, a capacidade de programar com rapidez e precisão distingue as células de automatização produtivas dos dispendiosos adornos de chão de fábrica.

De que competências precisa a sua equipa? Requisitos de formação por método

O verdadeiro desafio não é encontrar alguém que siga uma série de instruções. É encontrar alguém capaz de assimilar em simultâneo o processo de soldadura e o funcionamento do robô. Cada solução de programação altera esta equação de forma diferente. Ao avaliar sistemas de soldadura robotizada de diferentes fabricantes, o custo da formação é frequentemente subestimado. Um robô pode custar $80K-$200K, mas a saída do único programador formado para um concorrente pode deixar a célula parada durante semanas, até encontrar e formar um substituto. Os sistemas sem ensino eliminam este ponto único de falha ao permitir que um maior número de operadores trabalhe com o sistema. As oficinas que investem continuamente na formação e certificam os programadores de robôs em soldadura mantêm os seus trabalhadores durante mais tempo e reduzem as falhas de qualidade. A simplicidade da programação também é um fator a considerar na avaliação das configurações de robôs de soldadura. Quer a sua equipa siga os critérios internos de qualidade da soldadura ou as orientações da American Welding Society, a simplicidade da programação determina a rapidez com que um novo programador de robôs começa a trabalhar.

Como o sistema sem ensino da Zhouxiang reduz o tempo de programação

  Os robôs de soldadura sem ensino da Zhouxiang utilizam sensores de visão artificial 3D e seguimento de juntas por laser para identificar automaticamente a geometria da peça de trabalho e gerar percursos de soldadura em tempo real. Não são necessários ficheiros CAD, consola de programação nem programas de soldadura pré-carregados para cada referência de peça. Na prática, o processo é simples: o operador coloca uma peça de aço no dispositivo de fixação, prime o botão de início no ecrã tátil HMI e o sensor de visão artificial analisa a peça na célula de trabalho do robô. O sistema identifica o tipo de junta — de ângulo, topo a topo ou sobreposta —, calcula o ângulo da tocha e o vetor de aproximação, define os parâmetros de soldadura de acordo com a espessura do material e o tipo de junta e inicia a soldadura. O processo fica concluído em menos de dois minutos desde a colocação da peça até ao início do arco. Se a sua oficina processa aço estrutural, estruturas para equipamento pesado ou qualquer tipo de produção em que a geometria das peças varia de lote para lote, esta modalidade de soldadura robotizada elimina o estrangulamento causado pela programação. Os soldadores concentram-se na preparação dos dispositivos de fixação e na inspeção da qualidade, em vez de passarem horas diante de uma consola de programação. Se pretende programar um robô de soldadura para componentes fabricados uma única vez, esta é a única forma de o fazer com viabilidade económica.

Erros de programação que custam tempo e comprometem a qualidade da soldadura

Com base na nossa experiência em numerosos projetos de soldadura robotizada, observamos os mesmos problemas em todas as oficinas. Evitar estas perdas de tempo na produção pode poupar-lhe semanas de frustração, qualquer que seja o método escolhido.

• Não executar uma rotina de calibração do TCP. Cada substituição da tocha, mudança do tubo-guia ou impacto altera a posição do ponto central da ferramenta. Execute a rotina de calibração antes de programar qualquer percurso de soldadura, em vez de a deixar para o fim e descobrir que o robô está muito desalinhado.
• Utilizar o mesmo conjunto de parâmetros de soldadura para diferentes configurações de juntas. Um programa de soldadura definido para juntas de ângulo não produz a mesma qualidade em juntas topo a topo, de chanfro ou sobrepostas. Ajuste a velocidade de alimentação do fio e a tensão de forma independente para cada configuração de junta. O controlo adequado da velocidade de alimentação e da tensão distingue as soldaduras aceitáveis das peças rejeitadas.
• Não contabilizar os movimentos em vazio entre soldaduras. Percursos de transição mal planeados podem provocar colisões com dispositivos de fixação e sistemas de aperto. Planeie o percurso em vazio do robô com o mesmo cuidado que o percurso de soldadura.
• Não fazer cópias de segurança dos programas de soldadura. Uma falha do controlador pode eliminar dezenas de horas de trabalho com a consola de programação. Mantenha um registo de todas as alterações aos programas do robô e guarde cópias de segurança em unidades de rede, e não apenas no controlador.
• Formação apressada. Um novo programador de robôs que avance demasiado depressa pelos conceitos fundamentais produzirá soldaduras inconsistentes e poderá danificar o equipamento. Dedique à formação todo o tempo recomendado para o seu sistema: os programas do robô só são tão bons quanto a pessoa que os escreve.

Perguntas frequentes