Development and Validation of Algorithms Employed for Sensor Systems in Robotic Orbital Root Pass Welding of Pipelines‏

Soldagem & Inspeção. 2015;20(4):391-402 http://dx.doi.org/10.1590/0104-9224/SI2003.08 Artigos Técnicos Desenvolvimento e Validação de Algoritmos para Emprego de Sensores na Soldagem Robótica Orbital do Passe de Raiz de Tubulações Renan Medeiros Kindermann1, Régis Henrique Gonçalves e Silva1, Jair Carlos Dutra1 1 Laboratório de Soldagem – LABSOLDA, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC, Florianópolis, SC, Brasil. Recebido: 13 Nov., 2015 Aceito: 11 Dez., 2015 E-mail: renan.kindermann@labsolda. ufsc.br (RMK) Resumo: Os sistemas comerciais destinados à automação da soldagem orbital enfrentam desafios perante o controle da trajetória e a parametrização do processo. Os tubos e dutos do setor de Petróleo e Gás apresentam descontinuidades, advindas de sua fabricação, críticas para o processo de soldagem. Para superar isto, o presente trabalho investiga a utilização de sensores para correção em tempo real da soldagem orbital. Um robô antropomórfico atua na condução da tocha. Um sensor a arco para seguimento de junta e um sensor baseado no contato elétrico para procura da junta foram empregados. Um programa em forma de algoritmos para geração de uma trajetória orbital automática e alocação dos parâmetros de soldagem foi desenvolvido. A validação da estratégia proposta e do controle da tocha pelo sensor a arco foi realizada com depósitos em corpos de prova de tubos. A soldagem do passe de raiz com um processo MIG/MAG com controle de corrente no curto-circuito também foi executada em conjunto com o sensor a arco. Palavras-chave: Soldagem orbital; Soldagem robótica; Sensor a arco; MIG/MAG CCC. Development and Validation of Algorithms Employed for Sensor Systems in Robotic Orbital Root Pass Welding of Pipelines Abstract: The commercial welding systems for orbital welding automation face challenges regarding the robot path control and the process parameters. Pipes from oil and gas companies present discontinuities caused by the manufacturing stage that are critical for the welding process. To overcome this, the present paper investigates the use of sensors for real time correction in orbital welding. An anthropomorphous robot guides the torch. A through-arc sensor for seam tracking and an electrical contact sensor for seam finding were employed. A program for automatic path planning and welding parameters allocation was developed. The proposed strategy and the arc sensor torch control were validated based on weld deposits on pipe. The root pass welding was next performed using a short-circuit control GMAW process with the arc sensor. Key-words: Orbital welding; Robotic welding; Through-arc sensor; GMAW CCC. 1. Introdução As atuais soluções comerciais para automação da soldagem orbital se confrontam com alguns desafios. A manufatura dos tubos no estágio de preparação causam distorções, desalinhamentos e ovalizações, que por sua vez refletem em variações na abertura do chanfro e na posição da junta [1]. Com isto os parâmetros de soldagem e posicionamento da tocha não podem ser mantidos constantes durante toda a extensão do tubo. Este estudo apresenta os resultados de um projeto que está sendo conduzido no laboratório de soldagem da Universidade Federal de Santa Catarina (LABSOLDA) em parceira com empresas do setor de petróleo e gás. O objetivo principal do projeto é o desenvolvimento de um robô antropomórfico destinado à soldagem de tubulações. Este robô será equipado com um sistema de sensoriamento de junta para correção em tempo real (online) da trajetória e compensação dos parâmetros de soldagem. Este é um artigo publicado em acesso aberto (Open Access) sob a licença Creative Commons Attribution Non-Commercial, que permite uso, distribuição e reprodução em qualquer meio, sem restrições desde que sem fins comerciais e que o trabalho original seja corretamente citado. No início do projeto, a bancada de ensaios no LABSOLDA foi projetada em um software de simulação offline de trajetória. Entretanto, durante os ensaios de solda na bancada física, houve dificuldades de programação da trajetória não previstas na etapa inicial. Como esta era executada ponto a ponto pelo programador, um tempo considerável era despendido para o correto posicionamento da tocha na junta. Uma segunda etapa Kindermann et al. do projeto foi, então, o desenvolvimento de um programa para soldagem orbital, de modo a tornar o processo mais automático e considerando a utilização de sensores. O foco central do projeto é a utilização do sensor LASER como ferramenta de medição da junta. Entretanto, há tanto na literatura comum como nas indústrias, uma incerteza quanto à escolha do sensor mais adequado. Existe uma gama considerável de soluções de sensores para a soldagem a arco [2]. As patentes e publicações científicas nesta área de aplicação mostram que sensores LASER e sensores a arco baseado na corrente de solda estão substituindo antigos sistemas [3]. Sensores LASER possuem em geral maior precisão e fornecem também informações a respeito da geometria da junta. Em contrapartida, são mais caros e precisam ser montados diretamente na tocha, reduzindo o espaço de trabalho do robô. Além disto, a própria luz do arco pode interferir na análise da imagem. Sensores a arco, pelo contrário, são mais baratos, só que mais imprecisos e precisam necessariamente de um tecimento (oscilação da tocha), dado seu principio de funcionamento. Soma-se a isto, sua inerente dependência pela estabilidade do processo (em função da qualidade do sinal da corrente de solda). Dado que instalado no robô deste trabalho (um Motoman HP20D) havia um módulo para seguimento e procura de junta, a validação do programa para soldagem orbital ocorreu incialmente com estes sensores. Atualmente, o projeto se encontra na etapa de desenvolvimento de algoritmos para a soldagem orbital com o sensor LASER. Este trabalho visa, no entanto, mostrar os resultados iniciais do projeto. 2. Aparato Experimental Sob a ótica de processos de soldagem, a solda neste trabalho é realizada basicamente por dois subsistemas: uma fonte de soldagem e um robô antropomórfico industrial. Este último é do tipo Motoman HP20D, fabricado pela empresa YASKAWA (Figura 1). A sua estrutura cinemática é do tipo articulado vertical com 6 graus de liberdade. A fonte de soldagem é do tipo Digiplus A7, da fabricante brasileira IMC. Sua capacidade máxima de corrente é de 450 A. O processo de soldagem utilizado neste trabalho é o MIG/MAG com curto-circuito controlado, com nome comercial de CCC. O CCC apresenta um controle sinérgico do arco por meio da corrente de solda. Para tanto, o controle da corrente é determinado eletronicamente com base na leitura instantânea da tensão. Este processo foi desenvolvido no LABSOLDA [4,5]. A unidade controladora do robô é do modelo DX100 e a linguagem de programação é chamada de INFORM III [6]. Para comunicação com outros equipamentos são previstas 40 entradas e 40 saídas digitais. Além disto, uma placa eletrô (...truncated)