Orientador: Prof. Dr. Jair Carlos Dutra
Coorientador: Prof. Dr. Tiago Loureiro Fígaro da Costa Pinto
Coorientador: Prof. Dr. Régis Henrique Gonçalves e Silva
RESUMO
A automação da soldagem consiste na difícil tarefa de diminuir a intervenção humana em procedimentos de soldagem. Especialmente na execução do passe de raiz da união de tubos, o papel do soldador é essencial na observação da junta, ajuste dos parâmetros de soldagem e movimentação adequada da tocha. Em procedimentos automatizados, esses ajustes são realizados a partir de medições da geometria da junta e a tocha é movimentada por robô dedicado à aplicação da soldagem. A correta movimentação e o ajuste dos parâmetros de soldagem em função das medições são realizados pelo controle adaptativo do processo. O sucesso deste controle é dependente da qualidade das medições da junta. Essas medições, realizadas durante a soldagem, são dificultadas pelos ruídos impostos pelo ambiente de soldagem, tais como: altas temperaturas, luminosidade do arco, respingos, vibrações, histerese, entre outros. A tecnologia mais aplicada na medição da geometria da junta de soldagem em sistemas automatizados com controle adaptativo é a triangulação laser, devido as suas características metrológicas e de robustez necessárias para a aplicação. Os sensores de triangulação laser para soldagem disponíveis no mercado não permitem muitos ajustes na medição, pois estas são restritas às funcionalidades realizadas pelos fabricantes. Estas características limitam o desenvolvimento de novos sistemas e estratégias de controle. Dentro deste contexto, este trabalho propõe o desenvolvimento de um sensor de triangulação laser e das técnicas adequadas de processamento de imagem e sinais, com as características necessárias para aplicação no controle adaptativo da soldagem do passe de raiz da união de tubos. O software do sensor foi desenvolvido com flexibilidade para utilização de diferentes filtros e algoritmos de medição. Foram desenvolvidos os algoritmos da Segunda Derivada, Correlação de Padrões e Ajuste Linear. Os dois primeiros foram inspirados em trabalhos acadêmicos e o último é uma proposta deste trabalho. Para avaliar o sensor e os algoritmos desenvolvidos, o equipamento foi integrado a um sistema de soldagem e aplicado na soldagem do passe de raiz de juntas do tipo “V”, compostas por chapas soldadas na posição plana. Os algoritmos de medição foram avaliados quanto a incerteza de medição apresentada. O algoritmo de Ajuste Linear apresentou os melhores resultados de medição da junta e foi aplicado no controle da soldagem. O controle foi realizado com as técnicas de escaneamento prévio da junta (off-line) e correção durante a soldagem (online). O controle off-line utiliza medições realizadas antes da soldagem para definir os parâmetros do processo e trajetória de movimentação do robô. Esta técnica se beneficia de realizar medições sem a interferência do processo de soldagem. Entretanto, as variações da junta, ocorridas durante a soldagem não são percebidas. Para que estas variações sejam percebidas, o sensor deve ser utilizado no controle online da soldagem. Nesta técnica, as medições são realizadas durante o processo, o que implica na necessidade de maior robustez do sensor e imunidade a ruídos provenientes do processo de soldagem. Neste sentido, ao protótipo desenvolvido, foram incorporados mecanismos de resistência ao ambiente de soldagem, os quais produziram efeito eficaz ao funcionamento do sensor. Nas condições em que os ensaios foram realizados, as soldagens com as duas técnicas de controle propostas resultaram em soldas aprovadas. Estes resultados comprovam o funcionamento do sensor e dos algoritmos desenvolvidos.
Palavras-chave: Automação da soldagem, instrumentação para soldagem, controle adaptativo da soldagem.
ABSTRACT
The welding automation consists on the difficult task of reducing the human intervention on the welding procedures. Especially in the execution of the root pass in pipe welds, the role of the welder is essential in the observation of the joint, welding parameter adjustment and suitable torch movement. In automated procedures, these adjustments are realized based on the measurements of the joint geometry and the torch is moved by a robot dedicated to the welding employment. The correct movement and the adjust of the welding parameters using the measurements are realized by the adaptive control of the process. The success of such control is dependent on the quality of the joint measurements. Theses measurements, made along the welding process, are problematic because of the ambient noises added by the welding environment such as: high temperatures, arc luminosity, welding spatter, mechanical vibrations, hysteresis, and others. The most applied technology on the measurement of the joint geometry in automated welding systems with adaptive control is the laser triangulation, due its metrological characteristics and robustness necessary in this application. The available sensors for laser triangulation in welding in the market do not provide many options on the adjustment of the measurement, because they are restricted by the functionalities built by the manufacturer. These characteristics narrow the development of new systems and control strategies. Within this context, this work proposes the development of a laser triangulation sensor and the adequate signal and image processing techniques, with characteristics necessary by its application in the adaptive control of welding root pass for tube joints. The sensor’s software was developed with the flexibility for the utilization of different filters and measurement algorithms. It was developed algorithms of the Second Derivative, Pattern Correlation and Linear Adjustment. The first two were inspired by previous academic works and the latest is a proposal of this work. To evaluate the sensor and the developed algorithms, the equipment were integrated in a welding system and applied to root pass welding of type “V” joints, composed by metal sheets welded in the plane position. The measurement algorithms have been evaluated with respect to their measurement error. The Linear Adjustment algorithms presented the best joint measurement results and, thus, was applied in the welding control. The control was realized using the techniques of the previous joint scanning (off-line) and correction during the welding (on-line). The off-line control uses measurements previous to the welding to define the process parameters and the robot movement trajectory. This technique benefits of taking the previous measurements without the interference of the welding process. On the other hand, the joint variations that occurred during the welding process are not noticed. To account for those variations, the sensor must be used in the online control of the welding. In this technique, the measurements are realized during the welding process, which implies in the need of robustness of the sensor and immunity with respect to the noises generated by the welding process. Therefore, it was added to the developed prototype mechanisms of enduring the welding environment, which allowed the effective operation of the sensor. In the conditions that the tests were realized, both welding control techniques resulted in approved welds. These results prove the correct operation of the sensor and developed algorithms.
Keywords: Welding automation, instrumentation for welding, adaptive control of welding.
REFERÊNCIA:
PUHL, Eduardo Bidese. Desenvolvimento e Avaliação de Protótipo para Sensoriamento por Triangulação Laser Aplicado à Soldagem a Arco. 2017. 150p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2017.