Novas Tecnologias e Know-How Para Medição de Alta Precisão Como Fator de Otimização de Desempenho e Vida Útil em Geradores Eólicos e Seus Componentes

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1 Brazil Windpower 2014 Conference Tema: Novas Tecnologias e P&D Novas Tecnologias e Know-How Para Medição de Alta Precisão Como Fator de Otimização de Desempenho e Vida Útil em Geradores Eólicos e Seus Componentes RESUMO Paulo Rogério Vieira Diretor Técnico Departamento Técnico/Setor de Documentação Tecnimex do Brasil Ltda. Av. Dr. João Batista Soares de Queiróz Jr., 1771 Jardim das Indústrias São José dos Campos SP Tel.: (12) Brasil paulo@tecnimex.com.br, tecnimex@tecnimex.com.br Este trabalho descreve as características principais e as aplicações de máquinas de medição tridimensionais portáteis, de longo alcance, como fator de otimização do processo fabril de componentes dos geradores eólicos. Com o aumento da concorrência e do estreitamento das tolerâncias dimensionais exigidas pelos clientes, os fabricantes de geradores precisam, cada vez mais, deixam de lado os sistemas de medição obsoletos, imprecisos, inflexíveis e de capacidade dimensional limitada, e optar por know-how e tecnologias rápidas, eficientes, portáteis e de longo alcance. Com o know-how de aplicação desenvolvido pelo autor desde o ano 2000 e a utilização de máquinas precisas e flexíveis, as dificuldades existentes para garantir confiabilidade nos processos de controle dimensional no Brasil estão gradualmente sendo eliminadas. Palavras-chave: Máquinas tridimensionais portáteis; Controle dimensional; Peças de grande porte; Indústria eólica.

2 INTRODUÇÃO Assim como a eletrônica enfrenta as limitações da miniaturização constante de seus componentes, a mecânica encontra seu limite nas grandes dimensões das peças e equipamentos, principalmente quando aliada às baixas tolerâncias dimensionais requeridas na fabricação, o que dificulta ou inviabiliza a utilização de sistemas de medição tradicionais, caros e lentos. Além disso, com o aumento da competitividade, muitas vezes o prazo de lançamento de um produto, tanto quanto sua qualidade, passam a ser itens decisivos para o sucesso do produto no mercado mundial. Essa tendência de crescimento dimensional versus diminuição das tolerâncias é um desafio produtivo para qualquer empresa, em qualquer parte do mundo. Algumas empresas de ponta, porém, solucionaram esse problema por meio da utilização de máquinas de medição tridimensionais portáteis de longo alcance para ambientes não controlados que, aliadas a modernos sistemas de CAD e ao extenso conhecimento sobre sua aplicação, possibilitam medições extremamente precisas, rápidas e flexíveis, independentemente do tamanho do objeto e do local onde o mesmo é medido (Fig. 1.1). Figura 1.1: Medição de Molde e de Pá Eólica com Laser Tracker JUSTIFICATIVA Apesar de gradualmente ganhar espaço, a aplicação das máquinas de medição tridimensionais portáteis de longo alcance ainda é muito baixa devido à pouca divulgação e principalmente à falta de informação sobre esses sistemas de medição. Aplicações que até há pouco eram implementadas precariamente e principalmente sem a certeza do resultado obtido após as medições, são cada vez mais substituídas pela utilização das máquinas tridimensionais portáteis.

3 O autor busca com este artigo divulgar, esclarecer e, principalmente mostrar possíveis aplicações, para que estes recursos sejam cada vez mais difundidos e utilizados em parceria entre as empresas e instituições de ensino. A energia eólica é fonte renovável, limpa e uma alternativa consolidada na substituição de outros métodos de geração de energia como a queima de combustível ou a reação nuclear. Como em outros métodos de geração, o custo de fabricação dos sistemas de captação é muito alto, portanto, o controle dimensional do processo produtivo dos geradores eólicos é um item decisivo para seu bom desempenho e longevidade. Nos últimos anos, o Laser Tracker e a Fotogrametria têm se mostrado como soluções ideais, em todo o mundo, no controle dimensional para a fabricação e inspeção de geradores eólicos. 3. OBJETIVO Frente à falta de informação do mercado, este trabalho objetiva apresentar o funcionamento e esclarecer as principais dúvidas sobre aplicação das máquinas tridimensionais portáteis de longo alcance, descrevendo brevemente suas principais vantagens sobre os sistemas convencionais de medição utilizados atualmente nos processos de fabricação e controle de peças e equipamentos na indústria eólica. 4. DESCRIÇÃO DA PESQUISA Esta pesquisa aborda o estudo de aplicações dos equipamentos tridimensionais portáteis de longo alcance, mais especificamente Laser Tracker e Fotogrametria, e sua aplicação no controle dimensional de peças e equipamentos na indústria eólica, sendo que a principal fonte de consulta utilizada para sua execução são os casos práticos desenvolvidos pelo autor, em sua empresa e outras empresas de serviços ao redor do mundo. 5. TEODOLITO E ESTAÇÃO TOTAL, PRECURSORES DA MEDIÇÃO 3D Antes de falarmos sobre novas tecnologias, é importante lembrar-se dos precursores da medição 3D portátil, os Teodolitos e as Estações Totais.

4 5.1. Basicamente o Teodolito é um instrumento utilizado para medição de ângulos e utiliza um telescópio para o foco preciso do centro do alvo (Fig. 5.1). Com os ângulos verticais e horizontais de dois ou mais teodolitos em relação aos alvos e com a posição relativa entre eles, é possível estabelecer, através de uma triangulação, a posição no espaço dos alvos em X, Y e Z. O Teodolito é utilizado há muito tempo na engenharia civil para a medição de construções, estradas e principalmente para a medição topográfica de terrenos. Depois que passou a comunicar-se com o computador, devido ao seu alcance, precisão angular e portabilidade, passou a ser utilizado também, maciçamente, na indústria mecânica como meio de medição tridimensional (Fig. 5.2), em especial na Europa e nos Estados Unidos. Figura 5.1: Medição de ângulos Figura 5.2: Triangulação 5.2. A Estação Total de Teodolito ou simplesmente Estação Total, é um equipamento que mede o ângulo vertical, horizontal e também a distância do alvo. A medição de distância é feita por um Laser infravermelho que sai do centro da luneta e que ao atingir um refletor retorna para o ponto de partida (Fig. 5.3), e tomando como referência o comprimento de onda do raio infravermelho é possível calcular a distância até o ponto medido e, através dos ângulos vertical, horizontal e da distância, um ponto pode ser especificado em coordenada polar, enquanto o software converte para coordenada retangular, ou seja, X, Y e Z. Modelos atuais rastreiam e reconhecem automaticamente o alvo.

5 Figura 5.3: Medição com Estação Total 6. LASER-TRACKER Algumas aplicações de medição para a indústria só foram solucionadas após o surgimento de um equipamento denominado Rastreador Tridimensional a Laser ou Laser Tracker. A tecnologia básica do Laser Tracker foi desenvolvida por um pequeno grupo na NBS ( National Bureau of Standards ) nos EUA e patenteado em O desenvolvimento dessa tecnologia continuou com uma pequena empresa denominada API ( Automated Precision Inc ), que em 1988 passou a buscar uma parceira comercial e produtiva. Em 1989, a Kern Co. Ltda. (atualmente Leica Geosystems) adquiriu essa tecnologia, lançando em 1990 na Quality Show em Chicago um Laser Tracker totalmente redesenhado. De um modo geral pode-se descrever o Laser Tracker (Fig. 5.4) como sendo uma máquina tridimensional portátil que utiliza um laser interferométrico para medição de distância, dois transdutores de posição ( encoders ) de alta precisão (vertical e horizontal) para medição angular, combinado a um mecanismo direcionador e um sensor de posição (PSD) de alta resolução, que permite rastrear um refletor manual e medir seu posicionamento tridimensional no espaço, medindo até pontos por segundo. Finalmente, um computador converte essa medição em coordenadas retangulares, comumente utilizada no campo.

6 Figura 5.4: Laser-trackers de diferentes fabricantes (Leica e API) 6. FOTOGRAMETRIA Outro sistema de altíssima tecnologia utilizado na indústria eólica é a Fotogrametria (Fig. 6.1). Com o desenvolvimento das câmeras digitais atuais, softwares mais potentes e simples e computadores mais rápidos, a fotogrametria (antes um sistema extremamente complexo para análise das imagens, aliada a softwares sofisticados) passou a ser um sistema prático, simples e muito preciso, além de ser a mais portátil máquina tridimensional de longo alcance. De um modo geral, podemos descrever a Fotogrametria como uma tecnologia que usa fotografias para gerar medições em 3-D. Figura 6.1: Sistema de Fotogrametria (GSI - Geodetic Systems Inc.) O sistema utiliza alvos (ou targets ) para captura dos pontos de interesse. Eles são elementos refletivos que devolvem para a câmera a luz emitida pelo flash, que é convertida em sinal elétrico e analisada pelo computador. Os alvos refletem a luz com muito mais intensidade que outros elementos refletivos, fazendo com que luzes externas ou o brilho da própria peça não

7 interfiram na medição. São vários os tipos de alvos refletivos e os mais comuns são os adesivos, aplicados nas superfícies a serem medidas (Fig. 6.2). Figura 6.2: Diferentes tipos de alvos refletivos utilizados na fotogrametria A medição de um objeto pela Fotogrametria é descrita em cinco fases distintas, a saber: (1) Planejamento; (2) Aplicação dos alvos; (3) Captura das fotos; (4) Processamento das Imagens; (5) Análise dos dados Figura 6.3: Imagem gerada por computador, indicando a posição da câmera em cada uma das fotos, em relação ao objeto medido 7. APLICAÇÕES NA INDÚSTRIA EÓLICA 7.1. Medição com Laser-Tracker na Fabricação de Moldes e Modelos

8 Figura 7.1: Digitalização da superfície do molde do extradorso Figura 7.2: Medição de molde e sparcap Figura 7.3: Nuvem de pontos digitalizada, mostrada na tela do computador 7.2. Medição na fabricação de produto Pás

9 Figura 7.4: Medição da pá em ambiente aberto e piso de terra a 34 C Figura 7.3: Relatório gráfico da inspeção da pá 8. VANTAGENS QUALITATIVAS NA UTILIZAÇÃO DO LASER-TRACKER E DA FOTOGRAMETRIA PARA INSPEÇÃO DE PÁS, MOLDES, TORRES, HUBS E CARENAGENS DE GERADORES EÓLICOS 8.1. As vantagens na utilização do Laser Tracker para a inspeção de pás, moldes e outros componentes de geradores eólicos são: Ganho de tempo: O processo de inspeção com o Laser Tracker pode ser executado em um décimo do tempo gasto pela inspeção que utiliza o processo convencional; Maior precisão de medição: Por ser uma máquina extremamente precisa (10 ppm) e por depender pouco do operador, o Laser Tracker pode atingir uma precisão de medição menor que um terço da precisão alcançada no processo de inspeção convencional;

10 Menos operadores e menor especialização: O Laser Tracker necessita apenas de duas pessoas durante o processo de inspeção e somente uma delas necessita ter formação técnica de nível médio, ao passo que no processo convencional são necessárias quatro pessoas, sendo um engenheiro com bons conhecimentos no processo de inspeção e três técnicos de nível médio Menor dependência humana no processo de inspeção: Ao contrário do processo convencional que depende única e exclusivamente da habilidade dos executores da medição, a inspeção com o Laser Tracker independe de quem a está executando. Basta ao executor atender a alguns requisitos básicos e a uma sequência preestabelecida Maior confiabilidade no resultado: Tanto pela alta precisão do sistema quanto pela menor dependência humana, o Laser Tracker fornece um resultado muito mais confiável da medição executada, pois todo o cálculo do resultado é feito automaticamente bastando especificar a tolerância desejada. Todo o cálculo de ajuste (best-fit) do modelo físico em relação ao modelo matemático (CAD) é feito pelo sistema e o relatório emitido por ele não pode ser alterado ou manipulado sem que se note facilmente a fraude nos dados Possibilidade de inspeção dos moldes intra e extradorso, sparcap e da pá completa: Ao contrário do processo convencional, que devido às dificuldades do manuseio dos gabaritos, somente permitem a inspeção do molde do extradorso e de parte do intradorso (somente os desvios da superfície em relação ao contorno do gabarito), na inspeção com o Laser Tracker podem ser verificados tanto os moldes intra e extradorso quanto a pá completa ou qualquer elemento do processo produtivo que seja necessário, pois a medição pode ser executada em qualquer local ou posição em que a pá ou o molde esteja posicionado independentemente do tamanho do objeto (observar apenas torções ocasionadas pelo posicionamento incorreto do objeto) Grande diferencial para o usuário: Por ser um sistema bem difundido e utilizado nas empresas de ponta dos países mais industrializados em todo o mundo como a Boeing EUA, Airbus EU, Bombardier Canada, Kawasaki Aeroespace JP, Embraer BR, dentre outras, o Laser Tracker torna-se um grande diferencial para o

11 fornecedor das pás quando se trata de uma concorrência, pois aumenta a confiabilidade e consequentemente o valor agregado ao produto. È muito comum que o fornecedor de algum produto convide o cliente para que faça uma visita durante o processo de inspeção com o Laser Tracker para que possa apresentar o nível de qualidade de seu processo As vantagens na utilização da Fotogrametria para inspeção em Flanges, Pontos de Contato, Raízes de Pás, Torres, Hubs, Carenagens, etc Portabilidade inigualável: permite seu uso em praticamente qualquer ambiente, mesmo onde a acessibilidade for mínima ou onde for necessário levar o instrumento a pontos muito altos Sua estabilidade: a total insensibilidade à trepidação e às variações de temperatura do ambiente Confiabilidade dos resultados: altíssima precisão na medição das coordenadas (até 0,005 mm/m) Rapidez e abrangência: Os resultados são obtidos de imediato e os softwares de geração de dados permitem a obtenção de praticamente quaisquer informações dimensionais relativas à peça. Figura 8.1: Medição com fotogrametria em raiz de pá

12 Figura 8.2: Flange sendo preparada para medição com fotogrametria e resultado dos desvios na tela do computador Figura 8.3*: Medições com Fotogrametria durante testes de flexão em pá eólica *As imagens foram tiradas da internet

13 Figura 8.4: Medição com Fotogrametria da planicidade da base e acoplamento de torres eólicas e resultados dos desvios indicados na tela do computador CONCLUSÃO Com base nos dados apresentados neste trabalho, pode-se concluir que as máquinas portáteis de longo alcance para medição tridimensional têm um enorme campo para expansão no setor eólico brasileiro como fator de melhoria contínua e no desenvolvimento de novas metodologias e processos de produção dos componentes de grande porte, além de proporcionar benefícios como rapidez, versatilidade e confiabilidade nas medições, entre outros. Apesar da clara vantagem na utilização desses equipamentos quando comparado aos processos convencionais de medição, ainda existe muito a se explorar nessa área de pesquisa, pois a grande falta de informação sobre esse tema, tanto nas indústrias quanto nas universidades, traz muitas dúvidas e incertezas ao usuário, o que provoca uma consequente restrição ao seu uso. É importante salientar que esse trabalho é um pequeno, mas importante passo, que foi dado no sentido de esclarecer as principais dúvidas sobre esse tema, principalmente por que aborda vários casos práticos ocorridos no Brasil.

14 REFERÊNCIAS Toledo Jr, Fides Bueno de. Estudo da viabilidade econômica ITYS. Editora ITYS, Marcovitch, Jacques. Estratégia tecnológica na empresa brasileira. Editora Edgard Blücher Ltda. São Paulo Sandwith, Scott C., Gageless Tool Building with Computer-Aided Theodolites. Practice Report Leica, Boeing Commercial Airplane Group, Seattle, Washington Münch, K. H. e Baertlein, H., Dimensional Measuring Techniques in the Automotive and Aircraft Industry, Practice Report Leica, Leica AG CH-5035 Unterentfelden, Switzerland , 8p. Catálogo Leica, Electronic Precision Theodolites for Industrial Applications, Ref. U1-300-OEN- IV. 98, 1998, 12p. Catálogo Wild Autocat, Automatic Theodolite Measurement System, Ref. G e III.90, 1990, 2p. Horch, Günter; Haas, Harald e Bauer, Gerhard - A mobile metrology unit for universal application, Practice Report Leica, Audi Neckarsulm Germany, 1993, 8p. Ahl, Wolfgang; Head of Quality Control, Schindler Waggon AG, Pratteln, Switzerland Cadario Alfons; Head of Quality Control, SIG, Neuhausen am Rheinfall, Switzerland Reitze, Thomas; Systems Engineer, Leica AG, Unterentfelden, Switzerland - Quality assurance in the manufacture of rolling stock, Practice Report, Leica, 1993, 8p. Manninen, Markku e Kaisto, Ilkka A.M.S. Ltd, Oulu/Finland - 3D Positioning of a Ship Block at Hull Erection, Practice Report, Leica, 1996, 4p. Catálogo Leica, Dimensional Control and Analysis of large scale assemblies with DCA system, Ref en - VI.99, 1999, 8p. Catálogo Leica, Single Sensor 3-Dimensional Control and Analysis System for large scale assemblies, Ref. U1-288-OEN-X.95, 1995, 6p. Leica s Approach to High-Precision Dynamic 3D Coordinate Determination, Leica Product Information, Smart 310, 1991, 8p.

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