BR112015008814B1 - motor de passo robótico de costura a laser - Google Patents

Abstract

resumo cabeçote com pistola de costura a laser robótico um cabeçote com pistola de costura a laser roboticamente operado é configurado com uma coluna de suporte alongado que se estende ao longo de um eixo longitudinal e feitos de material leve. uma placa de suporte é desprezível montado na coluna de suporte, enquanto os mesmos uma cabeça óptica que é proporcionada com óptica. a óptica é configurada para direcionar um feixe a laser ao longo de um caminho no sentido de uma zona de soldagem por meio de uma janela de proteção da cabeça óptica. o cabeçote com pistola de costura a laser ainda está estruturado com um primeiro braço montado na placa de suporte e que se estende ao longo de um eixo longitudinal do cabeçote com pistola diametralmente oposto à cabeça óptica. a superfície interna do braço deslocável define um túnel que se encontra alinhado com a cabeça óptica e axialmente atravessado pelo feixe a laser, uma primeira corrente fluindo axialmente de meio gasoso pressurizado, e por uma segunda corrente que flui axialmente do meio gasoso. a segunda corrente, que entra no túnel a uma pressão mais baixa do que aquela da primeira corrente em resposta a um gradiente de pressão gerado na coluna, não gerar vórtices dentro da coluna. o primeiro e segundo fluxos de saída, através da extremidade a jusante do túnel, junto à zona de soldagem. à medida que os rios correm para fora, eles realizam soldagem detritos do túnel.

Description

[001] A revelação refere-se ao campo de sistemas de soldagem a laser operativos para unir duas ou mais peças de trabalho de metal sobrepostas. Particularmente, a revelação se refere a um motor de passo de costura a laser configurado com um laser multi-kW de classe 1 e que tem uma estrutura de luz compacta que é capaz de suportar altas cargas mecânicas.

TÉCNICA ANTERIOR [002] A soldagem é normalmente empregada como um método de montagem para unir várias partes de metal ou materiais em lâmina juntamente em uma montagem. Os métodos de soldagem tradicionais estão prontamente disponíveis e incluem, por exemplo, soldagem por arco e resistência a ponto. Bem recentemente, observou-se que um método de soldagem a laser é vantajoso sobre os métodos de soldagem tradicionais pelo menos em alguns aspectos. Por exemplo, a focalização intensa e a alta concentração de energia de um feixe de laser fornecem uma soldagem mais rápida com menos calor a ser introduzido nas porções circundantes das peças de trabalho. Ainda assim, o projeto de um motor de passo robótico a laser oferece poucos desafios estruturais, conforme discutido abaixo.

[003] Um desses desafios está relacionado à proteção dos elementos ópticos de focalização localizados em uma cabeça de laser contra detritos de soldagem e poeira que tendem ser impingidos a uma janela de vidro que veda o acesso de detritos na cabeça de laser. A integridade da

2/23 janela de vidro pode ser comprometida pelo detrito, e sua substituição causa interrupções frequentes de uma linha de montagem automatizada. Tipicamente, o jato de ar é introduzido em uma guia de luz a um ângulo para o eixo geométrico longitudinal da guia, um recurso normalmente referido como técnica de jato cruzado. Em alta pressão de ar, o jato cruzado causa vórtices dentro da guia de ar. Os vórtices geram um gradiente de pressão dentro da guia com a área central sob uma pressão mais baixa do que a da área periférica. Foi notado que um gradiente de pressão afeta prejudicialmente a qualidade do feixe de laser e permite que detritos fluam ao longo da área central em direção à janela protetora. Adicionalmente, o jato cruzado causa um alto nível de ruído desconfortável.

[004] Portanto, existe a necessidade de um novo projeto de montagem de abastecimento de ar que, enquanto realiza suas funções de proteção óptica diretas, não afeta a qualidade do feixe de laser.

[005] Ainda outro desafio está associado à qualidade de uma costura particularmente à luz de uma alta concentração de energia. Se a potência de feixe de laser for de algum modo mais alta que a potência desejada, o feixe pode derreter todas as peças sobrepostas de modo a formar uma abertura atravessante em vez de unir essas peças. Reciprocamente, um feixe de baixa potência pode não ser suficiente para unir as peças. Embora existam várias técnicas para controlar a potência de emissão de uma fonte de laser, nenhuma das técnicas conhecidas é capaz de determinar a qualidade de uma costura e alterar a potência de emissão em resposta à qualidade de costura determinada

3/23 em tempo real. Embora a qualidade de solda seja um dos, se não o mais importante parâmetro de qualquer processo de soldagem.

[006] Portanto, existe uma necessidade de um sistema de soldagem de laser de fibra configurado com um sistema para ajustar automaticamente a emissão de laser com base na qualidade de uma solda.

[007] Outro desafio deriva das geometrias complexas das peças a serem soldadas. Frequentemente, a peças a serem unidas não estão posicionadas de modo ideal e quando um robô é deslocado para a posição predeterminada, é necessário manipular o robô a fim de corrigir uma posição entre as peças e o robô.

[008] Portanto, existe uma necessidade de um sistema robótico de soldagem dotado de um mecanismo que é configurado para compensar a diferença entre as posições desejadas e, de fato, das peças a serem soldadas sem a manipulação indesejada do robô.

[009] Um desafio adicional também deriva da geometria complexa das peças a serem soldadas que frequentemente requer posições verticais diametralmente opostas do mesmo braço robótico. Obviamente, um atuador que desloca esse braço em direção às peças aplica diferentes momentos que correspondem às direções respectivas para baixo e para cima do deslocamento de braço devido à gravidade de todo o aparelho de soldagem. Os métodos conhecidos para controlar uma força que atua em um braço incluem a inserção manual de dados que indicam a posição desejada do braço. A operação manual pode ser imprecisa e demorada.

[010] Portanto, existe outra necessidade da

4/23 automatização da etapa de desmontagem do braço.

SUMÁRIO DA REVELAÇÃO [011] O motor de passo de costura manobrável à mão revelado no presente contexto é endereçado a todas as necessidades discutidas acima. O sistema de soldagem revelado é montado de modo destacável a um robô operável para entregar o sistema à localidade desejada na qual a soldagem é realizada.

[012] De acordo com um aspecto da revelação que é endereçado aos problemas de jato cruzado, uma corrente de ar pressurizado é forçada por um canal de guia de luz paralelo ao eixo geométrico longitudinal do mesmo. Tal técnica de entrega, referida a partir deste ponto como sobrejato, praticamente elimina o gradiente de pressão entre as áreas central e periférica. Como resultado, pequenas partículas ou detritos que fluem em direção à janela protetora da cabeça óptica são efetivamente retornados pela corrente de ar que aumenta a vida útil da janela protetora e não afeta a qualidade do feixe. Além disso, o ruído de alto nível associado à estrutura de jato cruzado é reduzido consideravelmente com o uso da configuração de sobrejato revelada.

[013] De acordo com outro aspecto, adicional ao sobrejato, o túnel é atravessado por outra corrente de ar que remove detritos de soldagem relativamente grandes e que fluem em paralelo ao sobrejato. Uma bomba que cria uma pressão negativa dentro do túnel guia um grande volume de ar ambiente a uma baixa velocidade para a extremidade a montante do túnel paralelo ao sobrejato. Visto que a saída que evacua ambas as correntes do túnel está localizada

5/23 próxima à área de soldagem, as correntes carregam detritos de soldagem de diferentes tamanhos através da saída.

[014] Um aspecto adicional se relaciona à operação do motor de passo de costura. As peças de metal sobrepostas a serem soldadas podem ser queimadas se a potência do feixe for muito alta e, reciprocamente, as peças podem ter uma união fraca se a potência do feixe for muito baixa. Com uma potência do feixe muito alta, um canal relativamente largo queimado pelas peças é atravessado por uma quantidade maior de radiação a laser. Quando a potência for baixa, uma quantidade relativamente baixa de radiação a laser encontra seu caminho através das peças.

[015] Com base no supracitado, a revelação ensina um detector de luz justaposto na parte posterior de uma área de soldagem. Utilizar um laço de retroalimentação, a radiação detectada a laser é processada e comparada a um valor de referência. Um sinal de controle é, então, acoplado a uma fonte de energia de sistema de laser para alterar a potência de emissão e fornecer a costura com a qualidade desejada.

[016] As peças a serem soldadas são, tipicamente, ligeiramente deslocadas para que quando um robô for guiado para a posição desejada e engatar as peças, a pressão desejada com a qual as peças impelem umas contra as outras não é alcançada. Para compensar por um erro de posicionamento das peças em relação às posições do robô, a técnica anterior conhecida ensina a manobrar o robô de modo a ajustar sua posição em relação à posição atual das peças. Tal ajuste é demorado e afeta a eficácia do processo.

[017] O sistema de soldagem revelado tem uma abordagem

6/23 diferente para o estabelecimento da posição desejada. Na configuração do sistema de soldagem com dois braços de preensão, ambos são deslocáveis de modo controlável para que se as peças estiverem mais baixas que o nível desejado, um braço operado pneumaticamente levanta as peças ao nível desejado antes que o braço atuado eletricamente seja guiado a esse nível. Reciprocamente, se as peças estiverem, de algum modo, acima do nível desejado, o braço atuado eletricamente traz as peças para o nível em que os braços exercem forças respectivas de direcionamento opostas que impelem as peças uma em direção à outra com a pressão desejada.

[018] O braço operado pneumaticamente é pré-tensionado. Portanto, seu deslocamento requer diferentes forças aplicadas ao braço, dependendo de o braço se mover para cima ou para baixo. Quando a força da gravidade é codirecional com a direção da força aplicada ao braço, uma força relativamente insignificante que excede ligeiramente a força pré-tensionada é gerada. De outro modo, a força gerada é substancialmente maior que a pré-tensionada. Com base no supracitado, o sistema revelado é dotado de uma unidade de detecção de posição que é operativa para gerar um sinal de controle acoplado a uma bomba pneumática que gera a força desejada com base na posição detectada do sistema de soldagem.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [019] Os recursos acima e outros do dispositivo revelado se tornarão mais prontamente aparentes a partir da descrição específica a seguir acompanhada pelos desenhos, nos quais:

7/23

A Figura 1 é uma vista axonométrica do sistema de soldagem a laser revelado;

As Figuras 2A a 2C são respectivas vistas em corte, elevada lateral e superior respectivas de um braço operado eletricamente;

As Figuras 3A a 3C e 4A a 4C ilustram o princípio de operação do sistema de soldagem revelado;

A Figura 5 é uma vista de um mecanismo pneumático operativo para ajustar a posição das peças a serem soldadas em relação a uma posição de robô;

A Figura 6 é um fluxograma que ilustra a operação de um sistema de controle de qualidade de solda;

A Figura 7 é uma vista de um braço operado pneumaticamente do motor de passo revelado;

A Figura 8 é uma vista axonométrica do sistema de soldagem revelado com os braços de preensão ilustrados em uma posição de soldagem;

A Figura 9 é uma vista lateral do sistema de soldagem revelado que ilustra a operação do braço operado eletricamente;

A Figura 10 é uma vista lateral diagramática do motor de passo revelado;

A Figura 11 é uma vista ortogonal da peça de extremidade de pressão; e

A Figura 12 é um fluxograma da operação do sistema de soldagem revelado.

DESCRIÇÃO ESPECÍFICA [020] A referência será feita, agora, em detalhes, a várias modalidades exemplificativas da revelação que são ilustradas nos desenhos anexos. Sempre que possível, os

8/23 numerais de referência iguais ou similares são usados nos desenhos e na descrição para referir a partes ou processos iguais ou similares. Apenas para propósitos de conveniência e clareza, os termos direcionais (para cima/para baixo, etc.) ou de moção (para frente/para trás, etc.) são usados em relação ao plano das folhas de desenho. Esses e outros termos direcionais não devem ser interpretados como limitadores do escopo da invenção de modo algum. Os desenhos estão em forma simplificada e não estão ajustados a uma escala precisa.

[021] A Figura 1 ilustra um motor de passo de costura a laser compacto 10 configurado com um quadro 18 que acopla o motor de passo 10 a um robô. Em um estado montado, o robô pode girar o motor de passo 10 sobre um eixo geométrico de rotação A-A e deslocar linearmente o motor de passo ao longo de um eixo geométrico longitudinal B—B, conforme será revelado em detalhes abaixo. Dois braços de preensão braço operado eletricamente 14 e braço operado pneumaticamente 16 - definem uma unidade de preensão capaz de pressionar as peças de metal a serem soldadas uma em direção a outra com uma força adaptável que alcança um nível kN, por exemplo, cerca de 3 kN. Os braços estão montados de modo removível a uma montagem de sustentação 12. Uma fonte de laser, como um laser de fibra de alta potência, é configurada para emitir um feixe de laser de monomodo ou de multimodo de até um nível multi-quilowatt, por exemplo, cerca de 4.000 W. Entretanto, conforme revelado abaixo, o motor de passo é configurado com um mecanismo de segurança ambiente que impede que uma emissão de laser saia quando a soldagem estiver em andamento,

9/23 classificando o motor de passo revelado como um sistema de laser de classe 1. Em geral, o motor de passo 10 pesa até cerca de 45 kg quando montado com ambos os baços 14 e 16, respectivamente, e menos do que isso quando opera apenas com um braço atuado eletricamente 14, o que pode acontecer quando as peças a serem soldadas forem montadas a uma suporte estacionário.

[022] Os braços 14 e 16, respectivamente, se movem entre uma posição inicial na qual os mesmos estão separados à maior distância, e uma posição de soldagem na qual os braços fazem contato com peças frontal e traseira respectivas a serem soldadas. Durante a soldagem, o motor de passo 10 é configurado para unir duas ou mais peças pela formação de uma costura de oscilação de até cerca de 40 a 50 mm. Na medida em que a costura é soldada, uma emissão de laser é capaz de se propagar através de peças de metal derretidas devido ao fato de que, a cada ponto no tempo, uma pequena passagem temporária é formada através das peças. Uma vez que o feixe é removido da localidade da passagem, o material derretido flui de volta para preencher a passagem.

[023] Em referência às Figuras 2A a 2C, o braço deslocável 14 é configurado para ser um componente multifuncional: adicionalmente a uma função de preensão, o interior de braço serve como a guia para o feixe de laser e o fluxo de fluido. Uma das correntes do meio gasoso é formada para impedir, ou pelo menos minimizar substancialmente, a exposição da janela de vidro protetora, que é montada a uma extremidade de emissão da cabeça óptica 20, a partir de faíscas e pequenas partículas ou detritos

10/23 dispersados da área de soldagem em uma direção oposta à direção de propagação de luz. A outra corrente de ar, que viaja em paralelo à primeira corrente a uma pressão mais baixa do que a da corrente pressurizada, lida com partículas maiores.

[024] O braço 14 é estruturado com um interior alongado oco que define um túnel 22 que se estende ao longo do eixo geométrico longitudinal B-B do motor de passo entre entradas de admissão e de emissão do braço. O braço inclui um alojamento 24 (Figura 2B) coberto por um flange 26 que acopla de modo removível o braço 14 a uma placa de sustentação axialmente deslocável discutida abaixo no presente documento. A estrutura de alojamento pode ser monolítica ou montada a partir de múltiplos componentes. Por exemplo, o alojamento 24, conforme mostrado, inclui uma

estrutura	em duas	partes	geralmente	frustocônica	que	se
afunila em direção	à área	de soldagem.
[025]	O flange	26, conforme mostrado	na Figura	2B,	é
rebaixado	na extremidade	de entrada	28	(Figura 2	A)	do

mesmo e configurado com uma parede periférica em múltiplos degraus que terminam em um ombro que se estende axialmente 30 que sobrepõe a extremidade a montante (ao longo das trajetórias de luz e de ar) do alojamento 24 (Figura 2B). Um pequeno tubo em formato de T 32 (Figura 2A) é recebido na extremidade rebaixada do flange 26 e se estende para dentro para que a mesma sobreponha axialmente a extremidade a montante do alojamento 24 e seja espaçada radialmente para dentro a partir dessa extremidade.

[026] A posição relativa do alojamento 24, do flange 26 e do tubo 32 define um primeiro espaço anular relativamente

11/23 grande 34 (Figura 2C) e uma passagem relativamente estreita 3 6 que se abre para o espaço anular 34 por uma de suas extremidades e para o interior do alojamento 24 por sua outra extremidade.

[027] O espaço anular 34 recebe um jato de meio gasoso pressurizado, como ar, através da entrada que se estende radialmente 36 (Figura 2B). Na medida em que o jato de ar pressurizado enche o espaço 34, o mesmo vaza pela passagem axial 36 para o interior ou para túnel 22 do alojamento 24 paralelo ao eixo geométrico B-B. Na medida em que o ar pressurizado flui através do túnel, sua pressão cai praticamente à pressão atmosférica. A entrega axial e o fluxo adicional da corrente de ar pressurizado inicialmente ao longo do túnel são referidos deste ponto em diante no presente documento como um sobrejato. O sobrejato impede efetivamente que pequenos detritos de soldagem danifiquem a janela de vidro protetora da cabeça óptica 20, que aumenta dramaticamente a vida útil da cabeça de laser.

[028] A cabeça de laser 20 está configurada para receber um feixe de laser de 500 mm e tem cerca de o comprimento de colimador de 100 mm e cerca de 250 a 300 mm de comprimento de focalização. Embora esses parâmetros sejam dados como um exemplo, os mesmos permitem que a janela protetora seja espaçada da área de soldagem a uma distância maior que a da técnica anterior conhecida.

[029] A configuração de braço deslocável 14 permite criar uma pressão negativa no túnel para remover, adicionalmente às pequenas partículas, as grandes partículas, também originadas na área de soldagem. Tal pressão pode ser criada pelo uso de uma entrada de ar 38

12/23 mostrada diagramaticamente pela seta tracejada na Figura 2B fornecida em qualquer ponto ao longo da região a montante do alojamento 24 ou mesmo com o uso da cabeça óptica como uma guia de ar. Essa segunda corrente de ar entra no túnel, conforme mencionado acima, a uma pressão mais baixa do que a da primeira corrente de ar pressurizado e a partir de então, à baixa velocidade. De preferência, a segunda corrente está sob a pressão atmosférica. Na extremidade, a pressão da segunda corrente é selecionada de um modo em que vórtices de ar, que são típicos para um jato cruzado pressurizado que entra no túnel a uma alta velocidade nos dispositivos conhecidos, sejam eliminados.

[030] Uma saída de sucção 40, melhor vista na Figura 2 A, se abre para o túnel 22 dentro do alojamento 24 próximo à peça de extremidade de pressão 42 e está em comunicação fluida com uma pressão negativa externa gerada por uma fonte 44 através de uma mangueira 4 6 de modo a criar um gradiente de pressão entre extremidades a montante e a jusante do túnel 22. A segunda corrente de ar 38 (Figura 2B) é aspirada para o interior do túnel 22 em um volume que excede substancialmente o volume de ar do sobrejato dentro do túnel. Ambas as correntes de ar são axialmente unidirecionais e estão sob substancialmente a mesma pressão relativamente baixa ao longo de um trecho maior da trajetória de ar ao longo do túnel. O sobrejato, a segunda corrente de ar de baixa velocidade e o grande volume e a direção uniforme de ambas as correntes, em combinação, praticamente eliminam a interferência entre as correntes de ar, fornecem evacuação efetiva de pequenos e grandes detritos de soldagem e não afetam a qualidade do feixe de

13/23 laser que atravessa o túnel.

[031] Em referência a todas as Figuras 3 e 4, a operação do motor de passo 10 começa com seu deslocamento em direção a um grupo de peças de metal sobrepostas 50, conforme melhor mostrado nas Figuras 3A a 4A. O braço operado pneumaticamente 16 (Figura 4A) é rebaixado a sua posição mais baixa além das peças 50. Tal deslocamento desse braço impede a colisão entre o motor de passo 10 e a pilha de peças 50, conforme aconteceu frequentemente com os motores de passo conhecidos que não puderam rebaixar (ou levantar) esse braço além do plano das peças de trabalho. Nessa posição, adicionalmente referida como uma posição inicial, o braço operado eletricamente 14 não é atuado, conforme visto em ambas as Figuras 3A e 4A.

[032] Em referência às Figuras 3B e 4B, uma vez que o

braço 16	esteja	justaposto	às	peças 50, o	mecanismo
pneumático	desloca	o mesmo	na	direção das	peças e,
preferencialmente,	em contato	com	as mesmas.	Mesmo que,

inicialmente, a posição das peças 50 estiver ligeiramente fora da posição desejada, o braço 16 traz as peças para a posição desejada. O braço operado eletricamente 14 continua desativado.

[033] As Figuras 3C e 4C ilustram uma operação de posicionamento final na qual o braço operado eletricamente 14 é deslocado para se propelir contra as peças. Os braços, portanto, criam forças que são diametralmente opostas e compensam parcialmente uma à outra, o que reduz substancialmente uma carga na sustentação robótica 12. Ainda mais importante, as peças 50 estão pressionadas de modo confiável uma sobre a outra, mesmo que inicialmente as

14/23 mesmas possam ter estado localizadas fora da posição desejada. Conforme pode ser prontamente entendido o braço deslocável 16 e sua mecanismo atuador funcionam como um compensador para inevitáveis erros de posicionamento entre as peças e o robô. Uma vez que a soldagem esteja completa, a sequência das operações reveladas acima é revertida.

[034] A Figura 5 ilustra o mecanismo pneumático 52 que opera o braço 16. Estruturalmente, o motor de passo 10 tem pelo menos a metade do peso do motor de passo revelado no documento EP 2149421B1 que tem propriedade conjunta com o presente pedido e está incorporado ao presente documento em sua totalidade a título de referência. Não obstante, a rigidez estrutural é quase a mesma ou ainda melhor do que a rigidez do motor de passo revelado na referência mencionada acima.

[035] A redução de massa foi conseguida pela criação de um conjunto de circuito mecânico cinemático fechado no qual praticamente todas as forças associadas ao deslocamento do motor de passo se concentram sobre a coluna central 54. Por exemplo, o quadro 18 que acopla o motor de passo a um robô está diretamente acoplado à coluna. Uma armação 56, que carrega a cabeça óptica de laser, o atuador elétrico do braço 14, os mecanismos de acionamento oscilante e linear para fornecer um feixe sinusoidal do comprimento desejado totalmente sobre um de seus lados, e o braço 14 no lado oposto, são guiados de maneira deslizante ao longo de um lado da coluna 54 sobre, por exemplo, trilhos 58. O mecanismo pneumático 52 para operar o braço 16 é colocado do outro lado.

[036] O mecanismo pneumático 52 é configurado com duas

15/23 molas pré-tensionadas 60 que exercem uma força substancialmente igual ao peso do motor de passo 12 no braço 16 que, assim, mantém o mesmo na maior distância do braço 14 que corresponde à distância na posição inicial na Figura 4A. Uma das extremidades opostas de cada mola está afixada de modo deslocável ao braço 1, ao passo que a outra extremidade é deslizante ao longo de um canal 62 moída na coluna de sustentação 54.

[037] Dois cilindros pneumáticos 64 estão alinhados às respectivas molas 60. Na posição inicial, os cilíndros 64 estão sob pressão mais baixa do que a gerada pelas molas que permitem sua total extensão. Quando o braço mais baixo 16 precisa ser deslocado em direção às peças de trabalho a serem soldadas, a pressão nos cilindros 64 é aumentada ao nível predeterminado nos qual as molas 60 são comprimidas para que o braço 16 entre em contato com as lâminas de trabalho e desloque as mesmas para cima, se o braço 1 for o braço mais baixo e as peças forem colocadas abaixo da posição desejada em relação ao robô. Se as peças forem inicialmente colocadas acima da posição desejada, o braço 16 é deslocado para a posição de soldagem conforme pode ser visto nas Figuras 3AC e 4C, e as peças são deslocadas pelo braço superior operado eletricamente 14 para baixo para a posição de soldagem.

[038] A pressão criada no cilindro 64 depende da posição do motor de passo 12. Quando o motor de passo estiver posicionado com o braço 16 que é um braço baixo em relação ao outro braço 14, uma força relativamente pequena deve ser aplicada à mola a fim de deslocar o braço 16 em direção às peças 50. Reciprocamente, com o braço 16 acima

16/23 do braço 14, a força gerada aplicada à mola e suficiente para comprimir a mola é cerca de duas vezes a força da mola. Nos motores de passo conhecidos, tipicamente, o operador introduz manualmente os dados relacionados à posição.

[039] No motor de passo revelado 12, a posição dos braços é automaticamente determinada pelo sistema de sensor de posicionamento 66. Uma vez que a posição seja detectada, um sinal gerado pelo sensor 66 é recebido em uma unidade de processamento central ou no controlador, e a pressão desejada é aplicada no cilindro 64. Após a soldagem ser concluída, as molas são deslocadas a sua posição inicial.

[040] A Figura 6 ilustra um fluxograma que ilustra a operação do sistema de controle de qualidade de costura. Na medida em que o feixe de laser e as peças a serem soldadas se movem em um relação aos outros ao longo de um comprimento predeterminado e com a cabeça óptica que oscila à frequência predeterminada, o feixe derrete as lâminas sobrepostas de modo a criar uma passagem que se estende através das peças de trabalho frontal e traseira. Na medida em que o feixe se move adicionalmente, o metal derretido flui de volta fechando a passagem, mas não antes de a passagem ser atravessada pelo feixe de laser. A intensidade medida do feixe de laser penetrado é indicativa da qualidade da solda. Se a intensidade medida for maior que um valor de referência, conforme explicado abaixo no presente documento, a passagem é larga demais e a potência de emissão do laser é reduzida. Reciprocamente, se a intensidade medida for mais baixa do que o valor de referência, a potência de laser emitido é aumentada.

17/23 [041] A emissão de laser é detectada por um detector de luz 70 que gera um sinal aumentado em um amplificador 72 e adicionalmente convertida em um conversor analógico-digital 74. A luz medida tem níveis mais baixos ou mais altos de intensidade, de acordo com a alta intensidade que corresponde a picos de luz. As potências média (Vav) e de pico (Vpeak) do sinal são determinadas no micro controlador 76. O controlador pode ser de um tipo de circuito integrado conhecido como arranjo de portas programável em campo (FPGA) que pode realizar uma variedade de funções, que incluem, por exemplo, funções de integrador e detector de pico, e tem uma estrutura leve. O analisador 80 processa as potências determinadas e emite um sinal de controle que corresponde a uma razão Vav para Vpeak. O último é alimentado de volta através de um circuito de retroalimentação 82 para uma unidade de processamento central 84. Se a razão for tanto maior quanto menor do que um valor de referência, a unidade 84 emite um sinal de controle acoplado à fonte de energia que é operável para aumentar ou diminuir a potência do feixe de laser.

[042] A Figura 7 ilustra uma realização exemplificativa do controle de qualidade da costura da Figura 6. O braço pneumático 16 é dotado de um ninho atravessante que recebe o detector 70. O ninho é formado em uma base 86 do braço em forma de L 16 que tem um interior oco. Durante a soldagem, a emissão de laser é refletida do fundo do braço ou de qualquer tipo de uma tela refletora localizada no interior do braço. A luz refletida é detectada pelo detector 70. O recurso de controle revelado acima pode ser facilmente obtido por uma configuração diferente. No lugar do braço,

18/23 qualquer configuração de coletor de luz, fornecida na parte posterior da área de soldagem e, opcionalmente, que tiver seu interior isolado da luz ambiente, pode ser usada em combinação com um fotodetector. Portanto, o laser, integrado na configuração de braço único revelada, também pode ser controlado de acordo com a técnica revelada acima. Além disso, em vez de detectar a luz refletida, o detector 70 pode ser posicionado para detectar diretamente a luz incidente.

[043] Durante a soldagem, detritos podem penetrar no interior do componente de braço 86 através da peça de extremidade de pressão sem fundo 88. Caso não removidos, os detritos acumulados podem danificar esse componente e, de modo geral, afetar negativamente a qualidade de uma solda. Para impedir o acúmulo, o interior oco do componente 86 está em comunicação fluida com uma bomba do lado de fora 90. A última pode ser a mesma bomba que a bomba 44 na Figura 2A ou uma bomba diferente, operativa para criar um gradiente de pressão suficiente para a remoção dos detritos através de uma mangueira. Adicionalmente à técnica de evacuação de pressão, o fundo do componente 86 pode ser destacado para a remoção adicional dos detritos acumulados.

[044] A Figura 8 ilustra alguns dos componentes do motor de passo revelado 12. Conforme revelado acima, um elemento de sustentação central, a coluna 54, recebe todas as cargas cinemáticas associadas ao deslocamento do motor de passo. A armação 56, que sustenta, entre outros, os braços 14 e 16, inclui uma placa 92 axialmente deslizante ao longo da coluna 54 com mecanismos de acionamento oscilante e linear 94 e 96, respectivamente. Um motor

19/23 elétrico aplica uma força de linhas à placa 92 por meio de uma transmissão 98. O braço 14 está afixado de modo deslocável à placa 92 e se desloca linearmente para a posição de soldagem na qual as peças de extremidade de pressão 88 e 100 de respectivos braços 16 e 14 entram em contato com as peças de trabalho frontal e traseira para que nenhuma radiação a laser escape da área de soldagem delimitada pelos parâmetros geométricos das peças de extremidade. A vedação da área de soldagem é tal que, apesar dos níveis de potência kW, o laser é certificado como um laser de classe 1.

[045] Em referência à Figura

9, o braço operado eletricamente 14 está localizado inicialmente em uma posição inicial na qual a distância entre os braços é a maior. Em uso, o braço 14 é deslocado primeiro mediante a atuação de uma haste 102, que está conectada ao motor elétrico 104, a uma primeira velocidade linear para uma posição aberta, na qual o braço 14 está afastado do braço 16 a uma distância menor que a da posição inicial. A haste 102 está acoplada à armação 56 que é guiada ao longo de trilhos 110 que, por sua vez, estão montados à coluna 54, por meio de um rolamento linear 108. O deslocamento do braço 14 para a posição aberta é monitorado e, se qualquer

objeto for	captado	ao longo do	caminho,	o braço	é
interrompido	até que	o objeto seja	removido.	O braço	14	é
deslocado adicionalmente para uma	posição	fechada	mais

próxima à área de soldagem e, portanto, ao braço 16 a uma segunda velocidade, mais baixa do que a primeira velocidade. A posição fechada corresponde a uma distância predeterminada a partir da peça de trabalho que é uma

20/23 função da espessura da peça. Finalmente, o braço 14 é deslocado para a posição de soldagem/preensão na qual o mesmo exerce pressão contra a peça conforme desejado.

[046] A Figura 10 ilustra um mecanismo de segurança que impede o disparo do laser se as peças de extremidade 88 e 100, respectivamente, não estiverem em total contato com a peça de trabalho e se a peça de extremidade 100 do braço 14 estiver danificada, e, assim, não puder operar adequadamente. O mecanismo de segurança é acoplado à peça de pressão 100 do braço 14 e inclui dois contatos prétensionados deslocáveis axialmente 112 que se estendem ao longo de lados respectivos da peça de pressão 100. Na condição pré-tensionada inicial, ambos os contatos 112 se estendem para além da borda da peça de extremidade 100 a uma distância predeterminada. Se a peça de trabalho frontal e o braço 14 estiverem corretamente posicionados, ambos os contatos 112 tocam a superfície da peça de trabalho. Se, entretanto, a posição não estiver correta, pelo menos um dos contatos 112 não exerce pressão contra a peça de trabalho, o laser não pode ser disparado.

[047] O mecanismo de segurança inclui adicionalmente um fio 114 que está conectado eletricamente em série a cada um dos contatos 112. Se pelo menos um desses componentes não gerar um sinal recebido por um micro controlador, o conjunto de circuitos permanece aberto e o controlador não emite um sinal de controle para a fonte de energia do laser, que, assim, permanece desativada.

[048] O fio 114 está montado a uma curta distância a partir da borda da peça de extremidade 100 em um sulco fechado que percorre o perímetro da peça de extremidade. Se

21/23 a peça de extremidade 100 tiver sido danificada e o fio 114 entrar em contato diretamente com a superfície da peça de trabalho da peça de trabalho frontal, a mesma se romperá facilmente e impedirá o disparo da fonte de laser.

[049] A Figura 11 ilustra a peça de extremidade 100, mas a descrição do recurso a seguir se refere a outra peça de extremidade 88 também. Para garantir que as superfícies de contato das respectivas peças de extremidade 88 e 100 não sejam expostas ao desgaste excessivo, uma placa protetora 101 é acoplada à superfície de contato. A placa 101 é feita de aço endurecido e pode ser soldada à superfície de contato, o que pode complicar a substituição, caso necessária. De preferência, a placa 101 é montada de modo removível à superfície de contato por meio de prendedores 103.

[050] Se a placa 101 estiver acoplada por prendedores 103, sua superfície interna é fendida para acomodar o fio 114. Em caso de soldagem, um tubo é colocado entre a superfície 103 e a placa 101 antes que essas partes sejam soldadas. O fio 114 é, então, retirado do tubo. A adição da placa 101 não apenas aumenta a vida útil da peça de extremidade. Também facilita tanto a montagem do dispositivo revelado quanto sua manutenção.

[051] A Figura 12 ilustra a operação do motor de passo revelado 10. É válido notar que todos os controladores incorporados em um esquema de controle de motor de passo 10 são baseados na plataforma FPGA que diminui consideravelmente o peso geral de toda a montagem em comparação aos motores de passo configurados de algum modo similar ou pistolas que são baseadas em uma plataforma de

22/23 controlador lógico programável (PLC).

[052] Em resposta a uma mudança no sinal, a fonte externa de meio pressurizado fornece o sobrejato dentro do túnel 22 (Figura 2A) do braço operado eletricamente 14, conforme mostrado em 120. Simultaneamente, ou subsequente ao sobrejato, o motor 104 (Figura 8) é atuado e opera até a pressão desejada sobre a peça de trabalho, o comprimento de solda e a frequência de oscilação sejam definidos, conforme mostrado em 122 e 124, respectivamente. Contanto que todas as etapas reveladas acima sejam completadas, o braço operado pneumaticamente 16 é deslocado para além do plano das peças de trabalho a serem soldadas e, então, movidas para a posição desejada, conforme mostrado nas etapas respectivas 121 e 123.

[053] Depois disso, o motor 104 começa a deslocar o braço 14 da posição inicial para a posição aberta, conforme ilustrado pelo numeral 126. Na medida em que o braço 16 se move em direção às posições abertas a uma velocidade relativamente alta, a presença de quaisquer obstáculos ao longo da trajetória é continuamente controlada em 128. Um deslocamento adicional do braço 14 para a posição fechada em 130 é fornecido a uma velocidade relativamente lenta. Finalmente, o braço 14 é deslocado para a posição de soldagem de modo a fornecer a pressão desejada na peça de trabalho em 132.

[054] Na posição de soldagem, o contato entre a peça de extremidade de pressão 100 e a superfície da peça de trabalho é verificado conforme mostrado em 134. Tanto após o controle de contato quanto antes, a bomba 44 (Figura 2A) é atuada para criar um gradiente de pressão que evacua

23/23 todas as correntes de ar junto com detritos de soldagem. Apenas após todos os processos acima o laser emite um feixe e uma operação de soldagem se inicia, conforme indicado por 136. Durante a operação de soldagem, a qualidade da costura é controlada, conforme revelado acima e indicado no presente contexto por 138. Caso necessário, a potência do

feixe é ajustada em	140 .	Uma vez que	a operação	de soldagem
esteja	concluída,	os	braços são	retornados	paras	as
posições	iniciais	e	todos os	atuadores	podem	ser

desligados, conforme mostrado em 150.

[055] Embora estejam mostradas e reveladas o que acredita-se que sejam as modalidades mais práticas e preferenciais, é evidente que desvios das configurações e métodos revelados serão sugeridos por si só à pessoa versada na técnica, e podem ser usadas sem que se afaste do espírito e do escopo da invenção. Por exemplo, alternativamente para lasers de fibra, outros tipos de lasers adicionais podem ser incorporados na configuração revelada. Portanto, a presente invenção não está restrita às construções particulares descritas e ilustradas em consideração a, por exemplo, lasers de fibra, mas deve ser interpretada de forma que esteja coerente com todas as modificações que possam ser abrangidas pelo escopo das reivindicações anexas.

Claims (16)

1. Motor de passo de costura a laser (10) operável para unir duas ou mais peças de metal sobrepostas (50) , CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:

uma coluna de sustentação alongada (54) que se estende ao longo de um eixo geométrico longitudinal (B-B);

uma cabeça óptica (20) deslocável axialmente ao longo da coluna de sustentação (54) e dotada de elementos ópticos que são configurados para concentrar um feixe de laser ao longo de uma trajetória através de uma janela protetora da cabeça óptica (20) em uma área de soldagem; e um primeiro braço (14) montado à coluna de sustentação (54) ao longo da trajetória a jusante da janela protetora e acoplado à cabeça óptica (20) de modo a se mover axialmente entre uma posição inicial e uma posição de soldagem na qual o primeiro braço (14) exerce pressão contra uma das peças de metal (50) na posição de soldagem, sendo que o primeiro braço (14) é configurado para envolver a área de soldagem de modo a impedir que a emissão de laser escape para fora da área de soldagem, sendo que o primeiro braço (14) é estruturado com uma superfície periférica interna que define um túnel alongado (22) configurado com extremidades abertas a montante e a jusante, sendo que o túnel (22) é configurado para ser axialmente atravessado por:

o feixe de laser, uma primeira corrente de meio gasoso pressurizado que flui axialmente, e uma segunda corrente de meio gasoso pressurizado que flui axialmente a uma segunda pressão mais baixa do que a da primeira corrente, sendo que a segunda pressão está sob a

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2/6 pressão atmosférica para impedir a formação de vórtices de ar, em que a primeira e a segunda correntes que fluem axialmente minimizam o contato entre a janela protetora e os detritos de soldagem que fluem dentro do túnel (22).

2. Motor de passo de costura a laser, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende uma primeira fonte de vácuo (44) em comunicação fluida com a extremidade a jusante do túnel (22) e operável para extrair a primeira e a segunda correntes do túnel (22) mediante à geração de um gradiente de pressão entre as extremidades a montante e a jusante do túnel (22) de modo que os detritos de soldagem sejam evacuados do túnel (22) através da extremidade a jusante do túnel (22) com a primeira e a segunda colunas.

3. Motor de passo de costura a laser, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda:

um segundo braço (16) acoplado de modo destacável à coluna de sustentação (54), e primeira e segunda peças de extremidade de pressão que sustentam material (88, 100) alinhadas entre si e montadas de modo destacável aos respectivos primeiro e segundo braços (14, 16), sendo que as peças de extremidade de pressão (88, 100) exercem pressão contra as respectivas peças de metal (50) a serem soldadas com uma força predeterminada durante uma operação de soldagem com o feixe de laser.

4. Motor de passo de costura a laser, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda:

um fotodetector (70) configurado para detectar a

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3/6 radiação a laser que se propaga através das peças (50) a serem soldadas, e um controlador (76) que recebe um sinal do fotodetector (70) e é operável para corresponder a uma intensidade do feixe de laser que se propaga a um valor de referência de modo que, se a intensidade medida não corresponder ao valor, uma potência do feixe de laser é ajustada e uma qualidade da costura é melhorada.

5. Motor de passo de costura a laser, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo braço (16) é montado de modo deslizante à coluna (54) e configurado com primeiro e segundo componentes (86) que são acoplados um ao outro para definir um formato de L, sendo que o segundo componente (86) é configurado com uma superfície interna que define um interior oco configurado para refletir o feixe de laser que se propaga em direção ao fotodetector (70).

6. Motor de passo de costura a laser, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda uma unidade de vácuo (90) em comunicação fluida com uma extremidade livre do segundo componente (86) do braço em forma de L, sendo que a unidade de vácuo (90) é operável para criar uma pressão diferencial no interior.

7. Motor de passo de costura a laser, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o braço em forma de L (16) é configurado com um fundo destacável (86) que recebe detritos de soldagem que são removidos do mesmo mediante desmontagem do fundo.

8. Motor de passo de costura a laser, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende

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4/6 ainda um atuador pneumático (52) acoplado à coluna (54) e operável para deslocar axialmente o segundo braço (16) em uma direção axial (B-B) oposta às peças de metal (50) a serem unidas de modo a evitar uma colisão com as mesmas, e uma direção axial oposta (B-B) em direção às peças (50) .

9. Motor de passo a laser, de acordo com a reivindicação

8, CARACTERIZADO pelo fato de que o atuador pneumático (52) é configurado com:

uma pluralidade de molas pré-tensionadas (60) que geram uma primeira força que impede que o segundo braço (16) se desloque voluntariamente na direção axial oposta (B-B), e uma pluralidade de cilindros pneumáticos (64), cada um acoplado à mola pré-tensionada (60) e operável para aplicar uma segunda força à mola (60) de modo que a mola (60) comprima a desmontagem do segundo braço (16) na direção axial oposta (B-B) em direção às peças (50) quando a segunda força exceder a primeira força.

10. Motor de passo a laser, de acordo com a reivindicação

9, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um sensor de posicionamento (66) operável para determinar uma posição dos braços (14, 16) um em relação ao outro, na qual, quando o segundo braço (16) estiver abaixo do primeiro braço (14), a segunda força aplicada à mola (60) e suficiente para deslocar o segundo braço (16) é maior do que a segunda força, quando o segundo braço (16) está acima do primeiro braço (14).

11. Motor de passo de costura a laser, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro braço é configurado com:

um alojamento (24) que dota a superfície periférica e

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5/6 que tem um formato frustocônico que se afunila em direção à extremidade a jusante;

um flange rebaixado (26) configurado com uma parede periférica que se estreita em direção à extremidade a jusante e se sobrepõe axialmente a uma região a montante do alojamento; e um tubo em formato de T (32) recebido em um recesso do flange (26) e que se estende axialmente para o alojamento (24) para sobrepor a extremidade a montante do mesmo de modo a definir um grande espaço anular (34) com o flange (26) e uma passagem axial estreita (36) com o alojamento (24), sendo que o espaço anular (34) e a passagem (36) estão em comunicação fluida para que a primeira corrente de meio gasoso entre no espaço (34) e flua adicionalmente de modo axial através da passagem (36) para o túnel (22) em direção à extremidade a jusante do alojamento (24).

12. Motor de passo de costura a laser, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um primeiro atuador (96) operável para deslocar a placa de sustentação (92) ao longo da coluna (54);

um segundo atuador operável para fornecer uma costura com o comprimento desejado; e um terceiro atuador (94) operativo para fornecer a costura com um formato sinusoidal, sendo que os atuadores estão acoplados de modo móvel à placa de sustentação (92).

13. Motor de passo de costura a laser, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro atuador (96) é operativo para deslocar linearmente o primeiro braço (14) entre uma pluralidade de posições espaçadas que

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6/6 inclui :

uma posição inicial na qual o primeiro braço (14) está espaçado a partir das peças (50) a uma primeira distância, uma posição aberta na qual o primeiro braço (14) está espaçado a partir das peças (50) a uma segunda distância menor que a primeira distância;

uma posição fechada com o primeiro braço (14) localizado entre a posição aberta e as peças (50), e uma posição de preensão na qual o primeiro braço (14) exerce pressão contra a peça de trabalho (50).

14. Motor de passo de costura a laser, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro atuador (96) é operável para deslocar a placa de sustentação (92) entre as posições inicial e aberta a uma velocidade linear mais alta que uma velocidade linear da placa de sustentação (92) entre as posições aberta e fechada.

15. Motor de passo de costura a laser, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um laser de fibra que emite o feixe de laser.

16. Motor de passo de costura a laser, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que as superfícies de contato das respectivas peças de extremidade de pressão (88, 100), cada uma, são dotadas de uma placa protetora (101) feita de aço endurecido, sendo que as placas (88, 100), cada uma, estão fixadas de modo removível à superfície de contato.