Servopress 101:Um Guia Básico

A automação industrial pode parecer mágica, especialmente quando usada em operações de montagem. Saiba o que você precisa sobre o básico para ajudar em seu próximo projeto de automação.

Os servomecanismos estão no centro da automação do século XXI. Os elementos básicos são um servomotor; um dispositivo para converter movimento rotativo em movimento linear; um conjunto de sensores para fornecer o feedback necessário; um controlador para converter dados de feedback em sinais de comando; e habilitação de software. Esta é a “mágica” das operações de montagem de alta velocidade e precisão. Com os avanços do século 21 em seus componentes básicos, as prensas servo são uma tecnologia revolucionária.

Eles não são apenas rápidos e precisos – eles também se tornaram grandes. Nas indústrias de conformação e estampagem de metais, as servo-prensas estão disponíveis com capacidades de até 5.000 toneladas (4.536 toneladas métricas) e unidades maiores estão em desenvolvimento. Essas prensas estão mudando a maneira como os usuários abordam o projeto do processo, dando aos engenheiros controle preciso da força, velocidade e posição em tempo real durante todo o curso de um processo.

Trinta anos atrás, os pioneiros da indústria combinaram um fuso de esferas de precisão com um servomotor, codificador rotativo e célula de carga para produzir a primeira prensa de montagem eletromecânica (EMAP) projetada especificamente para operações de montagem.

Primeiros usuários bem-sucedidos

Os primeiros adeptos descobriram que a capacidade de medir os parâmetros do processo durante a montagem permitiu que eles literalmente “clonem” produtos comparando a “assinatura” de força/posição de cada operação com a de um ciclo bom conhecido e ajustando os parâmetros da prensa em tempo real para duplicá-lo. Esse conceito básico tem sido usado em centenas de aplicações de montagem diferentes, desde a simples rebitagem até a instalação de componentes eletrônicos de alto valor. Aqui estão alguns exemplos.
Montagem de Junta Universal:Uma junta universal do tipo Cardan tem uma cruz central ou “aranha” que é presa a um par de braços em forma de U pressionando um copo de rolamento através de um orifício no braço para capturar um diário usinado na “aranha”. Uma vez montadas, as capas dos rolamentos são fixadas no braço para mantê-las no lugar.

O desafio é manter a aranha centralizada no braço enquanto as capas dos rolamentos são pressionadas e fixadas. Isso é feito com um par de EMAPs que são sincronizados para aplicar a mesma força a cada capa de rolamento enquanto ela está sendo inserida. Uma vez que os copos estão no lugar, a aranha é precisamente centralizada e os EMAPs executam simultaneamente a operação de estaqueamento. Uma vez que a mesma força é aplicada às pernas opostas da aranha, ela permanece centralizada e o resultado é uma boa montagem a cada vez.

Este aplicativo funciona porque os EMAPs são monitorados durante a operação e ajustados para força e posição em tempo real pelo controle. Os dados de todo o processo podem ser capturados e armazenados para garantia de qualidade, fornecendo 100% de rastreabilidade para cada montagem. Esses dados também são úteis para identificar e corrigir anomalias nas peças que estão sendo montadas, o que melhora a qualidade de toda a cadeia de suprimentos e do processo de montagem.

Montagem do Cateter Médico:A operação crítica é um processo de crimpagem que conecta um tubo de metal de pequeno diâmetro a um tubo maior que é conectado à parte flexível do cateter. Se a crimpagem não for perfeita, ela se desprenderá quando for puxada ou fechará o tubo completamente, tornando o cateter inútil. A compressão consistente de um tubo de metal minúsculo em um que é apenas um pouco maior provou ser um desafio monumental.

A chave para manter a qualidade consistente na operação de crimpagem do cateter foi monitorar simultaneamente a quantidade de força aplicada e a posição exata da ferramenta de crimpagem. Uma vez que ambos os parâmetros de uma boa operação conhecida foram capturados, a “assinatura” de força/posição foi usada como referência para medir as operações subsequentes.

Uma estação de crimpagem baseada em EMAP, completa com transdutores de posição externos, é usada para realizar a operação de crimpagem nos cateteres. O EMAP fornece força de crimpagem repetível e os transdutores monitoram as ferramentas para garantir que a crimpagem não seja nem muito rasa nem muito profunda. O resultado é uma certificação de teste de esforço de 100% para cada cateter produzido e a eliminação virtual de falhas de crimpagem em campo.

Conjunto de junta esférica rebitada:Os conjuntos de junta esférica automotivos são componentes críticos de segurança que normalmente são fixados aos braços de controle superior e inferior com rebites. Existem três modos de falha possíveis:1) um rebite pode ser muito longo ou muito curto, 2) um rebite pode ser muito duro ou muito mole e 3) um rebite pode estar totalmente ausente. Como a montagem é crítica para a segurança, tradicionalmente é realizada uma inspeção de 100% após a rebitagem.

O uso de um sistema baseado em EMAP em vez de uma prensa hidráulica tradicional elimina a necessidade de inspeção de 100 por cento, monitorando o processo enquanto ele está sendo executado e comparando a “assinatura” a uma boa operação conhecida. Três células de carga individuais são montadas no ferramental para medir independentemente a força aplicada a cada rebite, enquanto um transdutor de posição única mede a distância de deslocamento do aríete. Rebites que são muito duros ou macios, ou muito curtos ou longos, produzirão uma mudança distinta na assinatura, assim como detalhes fora de tolerância, como diâmetros de furos.

O sistema fornece:detecção de rebites longos, curtos, duros, macios e/ou ausentes; 100 por cento de certificação de cada montagem; aquisição de dados embutida; e um registro de dados de força e posição para cada peça produzida - tudo em tempo real durante o ciclo do processo. Os resultados são consistentes, precisos e rastreáveis, o que significa que as inspeções pós-processamento em todas as peças não são mais necessárias para garantir a qualidade.

Indo além do básico

Não demorou muito para que os primeiros usuários percebessem que os dados de processo detalhados gerados por um sistema baseado em EMAP tinham usos muito além de simplesmente comparar “assinaturas” e “clonagens” de assemblies. Os fornecedores de EMAP também estavam ocupados aprimorando os recursos de hardware e software para oferecer suporte a aplicativos mais avançados.

Uma das primeiras aplicações a aproveitar esses avanços foi a montagem de braços de controle automotivos, um produto que requer precisão geométrica para atingir o funcionamento adequado, mas é feito de componentes que não podem ser produzidos economicamente com tolerâncias muito próximas. O braço de controle é feito de estampagem ou fundição para serviço pesado com buchas revestidas de borracha pressionadas no lugar – claramente não é um candidato para precisão dimensional extrema.

O que os engenheiros automotivos normalmente fazem é definir a geometria necessária na montagem e deixar a parte de “como alcançá-la” para o fornecedor. Os fornecedores chamam isso de dimensão “fantasma” e é bastante comum em vários setores.

A abordagem convencional para atender a especificação de uma dimensão “fantasma” é construir ferramentas e acessórios precisos e depois ajustá-los continuamente para lidar com variações constantes e imprevisíveis nas peças. Outros fornecedores optam por “pressionar e esperar”, depois “medir e classificar” e aceitar custos de refugo e retrabalho. Para enfrentar esse desafio com um sistema baseado em EMAP, é necessário um software avançado para lidar com sensores adicionais fora das células de carga integradas na impressora. A montagem é feita com dois EMAPs e duas sondas digitais. Essas sondas são necessárias porque as buchas resilientes se flexionam durante a instalação, tornando difícil saber sua localização precisa. As sondas também compensam a deflexão da máquina e da célula de carga.

Para montar o braço de controle, as buchas são pressionadas para uma posição inicial, a força é removida e a localização é medida pelas sondas digitais. Uma bucha é pressionada em uma dimensão relativa à junta esférica. A sonda mede a posição e envia as informações de volta para o controlador, que informa à impressora quanto mais pressionar. Essa sequência se repete até que a bucha esteja no lugar. A outra bucha usa a mesma sequência de instalação, mas é pressionada em uma dimensão relativa à primeira bucha. Esta é a dimensão “fantasma” e o sistema pode alcançá-la de forma eficiente e repetitiva, independentemente das variações no braço de controle e/ou buchas.

O sistema que acabamos de descrever melhora significativamente a qualidade funcional do braço de controle que ele monta sem alterar as especificações dimensionais dos componentes. De fato, é bem possível que as tolerâncias desses componentes possam ser afrouxadas para reduzir os custos de fabricação sem impacto na qualidade funcional do produto acabado. A função é a medida de qualidade do consumidor e, com o tipo de montagem inteligente pioneira do sistema de braço de controle, também pode ser do fabricante.

Uma tecnologia madura

À medida que os aplicativos de montagem inteligentes proliferaram, o mesmo aconteceu com os sistemas de hardware e software necessários para habilitá-los. Hoje, os EMAPs estão disponíveis com saídas de força que variam de 0,2 kN a 500 kN e podem ser equipados com uma ampla gama de sensores integrados e externos. Eles estão disponíveis como componentes individuais para construtores de sistemas, prensas H-frame e estações de trabalho independentes flexíveis para usuários finais.

Engenheiros inovadores tornaram os EMAPs leves o suficiente para serem usados ​​como efetores finais de robôs e até modelos portáteis humanos estão disponíveis. Ambos os produtos destinam-se a aplicações em que a prensa é trazida à peça, o que significa que a força de reação da operação de prensagem não pode ser transmitida ao robô ou operador humano.

Uma solução desenvolvida pela Promess para aplicações robóticas é a Robot Press, que incorpora um batente integrado. Durante a operação, a prensa é posicionada na peça pelo robô e o ferramental é engatado. O robô então entra em flutuação livre em dois eixos para manter a posição enquanto se move no terceiro eixo para acomodar o movimento da prensa até que a prensa atinja o batente traseiro integrado. Os movimentos da prensa são totalmente programáveis ​​e as prensas podem ser equipadas com sensores de força e posição para suportar operações de montagem inteligentes.

Combo EMAP linear/atuador rotativo

Outra tendência é a combinação de um EMAP linear com um atuador rotativo para facilitar o teste funcional durante a montagem. Por exemplo, uma trava de capô automotivo é montada com um rebite usando um EMAP. Enquanto o rebite está sendo perfurado, a trava é acionada e a força necessária é medida continuamente até atingir um nível especificado, ponto em que o processo é interrompido. O processo produz travas com força de acionamento uniforme independente das variações de rebites ou estampados. Sistemas semelhantes são usados ​​para montar travas de bancos automotivos, alicates e até mesmo para verificar folgas de engrenagens sob carga em diferenciais automotivos.

Todas essas aplicações dependem de controladores e softwares sofisticados para manipular e integrar múltiplas entradas de dados em tempo real e gerar os comandos servo necessários. Os controles agora estão disponíveis com a capacidade de sincronizar vários EMAPs acionando os cantos de uma prensa de prensa para que cada um gere a força necessária para manter as placas paralelas, mesmo que a carga não seja uniforme.

O software de controle evoluiu junto com o hardware, e os sistemas atuais são muito mais fáceis de programar do que seus predecessores de alguns anos atrás. Os fornecedores investiram tempo e talento significativos em sistemas que simplificam o processo a ponto de não serem necessários engenheiros de controle profissionais.

À medida que a tecnologia EMAP amadureceu, os conceitos de montagem inteligente e montagem para uma especificação funcional em vez de uma dimensional tornaram-se cada vez mais práticos em uma ampla gama de indústrias. Maturidade, no entanto, não implica estagnação. A tecnologia continua a crescer, permitindo soluções verdadeiramente inovadoras para desafios que atormentam os fabricantes há décadas e, em alguns casos, séculos.