Sistema de geração de trajetórias em manipulador cartesiano para aplicações em soldagem naval

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaEste trabalho trata do desenvolvimento de um sistema de controle aplicado em manipuladores do tipo cartesiano para geração e correção de trajetórias de soldagem. O referido sistema foi inicialmente configurado para aplicações típicas de soldagem naval com o manipulador de dois graus de liberdade denominado Tartílope V2F. Este equipamento é constituído por dois eixos prismáticos e ortogonais. O eixo Y é responsável pelo seguimento da junta e o movimento de tecimento transversal do cordão de solda enquanto que o eixo X é um trilho flexível que se molda a superfícies curvas, viabilizando assim a soldagem de juntas de costados, blocos e painéis de navios. Este desenvolvimento tem como diferencial o hardware e um software estruturado em linguagem C++ com orientação a objeto que facilita a criação de novas funcionalidades ao Tartílope V2F e a adaptação a outros manipuladores cartesianos com mais graus de liberdade. O sistema de controle desenvolvido para o Tartílope V2F é composto pelos módulos: interface do usuário, suporte à soldagem, geração dos comandos de movimento, acionamento dos eixos, entradas analógicas usadas para receber os sinais de sensores de correção automática da trajetória e o de entradas e saídas digitais para sincronismo com equipamentos periféricos. A interface do usuário é de fácil uso possibilitando a programação das trajetórias de soldagem com vários passes e trechos filetados com tecimento do tipo trapezoidal via uma tela sensível ao toque. Este módulo conta ainda com a possibilidade de correção de todos os parâmetros da trajetória durante a soldagem. Em vista da fragilidade da tela sensível ao toque, foi desenvolvido o módulo de suporte a soldagem que é um dispositivo portátil resistente aos respingos de soldagem. Esse dispositivo permite o operador posicionar a tocha, carregar programas da interface do usuário para execução e realizar também correções de todos os parâmetros da trajetória durante a soldagem. O módulo de geração dos comandos de movimento gera os sinais de direção e passo de cada eixo e os envia para os respectivos drivers de acionamento dos motores de acordo com a trajetória programada ou corrigida. O microcontrolador LPC2148 deste módulo é também responsável por gerenciar o módulo de entradas analógicas e o de entradas e saídas digitais. O módulo de acionamento dos eixos do Tartílope V2F foi substituído em função da necessidade de ampliação da faixa de velocidade de posicionamento e da própria tocha de soldagem. Em ambos os eixos foram usados o conjunto otimizado de acionamento: driver bipolar em corrente com tecnologia DSP com seu respectivo motor de passo de alto torque. Por fim para validar o sistema foram realizados ensaios em laboratório, num primeiro momento focando as funcionalidades e desempenho e no segundo momento simulando a sua aplicação na soldagem do costado de uma embarcação. Excelentes resultados de soldagem e de integração entre operador e manipulador foram obtidos em ambos os momentos.This research deals with the development of a system control applied in cartesian manipulators for trajectory generation and correction of welding. The system was initially configured for typical applications in naval welding with manipulator in two degrees of freedom called Tartílope V2F. This equipment is constituted by two axes: orthogonal and prismatic. The Y axis is responsible for following the joint and the transversal weaving movement of the weld bead, while the X axis is a flexible rail which molds itself to curved surfaces, enabling the welding of broadsides joints, blocks and panels of ships. This development has as differentials the hardware and a software structured in C++ language with object orientation that facilitates the creation of new functionality to Tartílope V2F and the adaptation of other cartesian manipulators with more degrees of freedom. The control system developed for Tartílope V2F is composed by the following modules: user interface, welding support, generation of motion commands, activation in the axis, analogical input used for receiving the signals from trajectory automatic correction the trajectory sensors and digital input and output for synchronizing with peripheral equipment. The user interface is easy to use, allowing the programming of welding trajectories with multiple passes and filleted excerpts with trapezoidal weaving type via touch screen display. This module also counts with the possibility of correcting all trajectory parameters during welding. Due to the fragility of touch screen display, a welding support module, which is a portable device resistant to welding spatter was developed. Such device allows the operator to position the torch, load user interface programs for execution, and also perform corrections in all trajectory parameters the during welding. The module motion command generation generates step and direction signals for each axis and sends for the respective drivers the activation of motors according to the programmed or corrected trajectory. The LPC2148 microcontroller this module is also responsible for managing the module analogical input and the digital input and output. The module activation in the axis of Tartílope V2F was substituted due to need for expanding the range velocity in positioning and also the welding torch. In both axes an optimized activation pack was used: a bipolar driver in current with DSP technology with its respective high-torque step motor. Finally, laboratory experiments were performing for validating the system, initially focusing on features and performance, and later simulating its application in welding vessel broadsides. Excellent welding results and the integration between operator and manipulator have been obtained in both stages