Modelagem, controle e emprego de robôs em processos de usinagem

Abstract

Atualmente os robôs são majoritariamente empregados em operações que não impõem restrições ao movimento de seus efetuadores. É o caso das tarefas envolvendo manipulação de materiais, pintura e soldagem. Na presença de restrições, como nas tarefas de usinagem, seu emprego é bem reduzido, decorrente das limitações científico-tecnológicas ainda existentes. Neste caso, além de realizar um movimento com restrição, o robô aplicará uma força originada pelo corte do material. O robô deverá ser capaz de realizar a remoção do material, dentro das especificações de projeto, sem que a força aplicada ultrapasse os limites físicos da ferramenta e do robô. Buscando atender a estas exigências operacionais, desenvolve-se neste trabalho um modelo matemático de caráter inédito, representativo das forças de interação que se manifestam entre o robô e o meio, que, trabalhando em conjunto com algumas estratégias de controle pré-selecionadas, garanta o cumprimento da tarefa requisitada. O modelo matemático desenvolvido é válido para uma diversidade de ferramentas cortantes que possuam as três componentes ortogonais de força definidas no espaço cartesiano. Como exemplos destas ferramentas têm-se o rebolo, a fresa de disco de dentes retos e a fresa de topo com haste cilíndrica, todas consideradas ao longo do texto no intuito de auxiliar no desenvolvimento do modelo. Os objetivos desta tese são a síntese deste modelo, assim como das estratégias de controle de rigidez e por impedância, além da análise de estabilidade do sistema em malha fechada com cada uma destas estratégias de controle.

Nowadays the robots are currently employed in operations that do not impose constraints to the displacement of their end effectors. It is the case of tasks involving material handling, painting and welding. In the presence of constraints, such as those on machining tasks, they are rarely used, because of the still existing scientific-technological limitations. In this case, in addition to performing a constrained displacement, the robot will apply a force originated by the cut of the material. The robot should be able to perform the removal of material, within the design specifications, without allowing the applied force to exceed the physical limits of the tool and the robot. Looking to meet these operational demands, a novel mathematical model, representative of the interaction forces that arise between the robot and the environment, is developed, which, working in conjunction with some pre-selected control strategies, ensures the achievement of the requested task. The mathematical model developed is valid for a diversity of cutting tools that have the three orthogonal components of force defined in Cartesian space. As examples of these tools one has the grinding wheel, the peripheral mill and the endmill with cylindrical shank, all considered throughout the text in order to assist in the development of the model. The goals of this thesis are the synthesis of this model, as well as the control strategies of compliance and impedance, beyond the stability analysis of the closed loop system with each of these control strategies.