A aplicação racional da tecnologia de medição por coordenadas tornou-se viável com o desenvolvimento dos computadores que passaram a ter:

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1 Capítulo 9 MÁQUINAS DE MEDIR POR COORDENADAS 9.1 IMPORTÂNCIA Ao longo de alguns anos ocorreu intensivo desenvolvimento tecnológico nos processos de usinagem das peças, destacando-se o surgimento dos centros de usinagem com comando numérico. Paralelamente, refinaram-se as exigências quanto à conformidade geométrica dos componentes de sistemas mecânicos resultando em especificações mais severas de projeto, de modo a garantir um elevado desempenho funcional dos mesmos. Pelo não desenvolvimento da tecnologia de medição no mesmo ritmo, criou-se uma defasagem tecnológica a tal ponto, que o controle de certas peças tornava-se extremamente difícil e economicamente inviável. A aplicação racional da tecnologia de medição por coordenadas tornou-se viável com o desenvolvimento dos computadores que passaram a ter: - enormes potencialidades matemáticas; - flexibilidade de comunicação e conexão com um processo; - resistência a ambientes industriais; - pequeno porte e baixo custo. Através de uma máquina de medir por coordenadas (figura 9.1) determina-se, de forma universal, com um mínimo de dispositivos e instrumentos específicos, as coordenadas de certos pontos sobre a peças a controlar. Tais pontos convenientemente processados pelo computador associado, resultam os parâmetros geométricos da peça. O desenvolvimento das máquinas de medir por coordenadas (MMC) foi favorecido ainda pela evolução dos sistemas de medição de deslocamento eletrônicos, que permitem elevar a sua qualidade e viabilizaram a sua integração com sistemas automatizados de fabricação. As MMC's têm em comum com tais sistemas a característica de grande flexibilidade. 9.2 MEDIÇÃO POR COORDENADAS Com base nos sistemas de medição de deslocamento das máquinas de medir por coordenadas, é possível conhecer a posição que um elemento localizador ocupa dentro do espaço de trabalho da máquina (figura 9.2). Este localizador, operando por princípios eletro-mecânico e articulado, é chamado de apalpador. Esclarecendo de modo grosseiro, 1

2 ele relaciona o ponto de contato do seu sensor com a peça a um ponto de referência conhecido dentro do sistema coordenado. Figura 9.1: Máquina de medir coordenadas (tridimensional). A determinação das coordenadas dos pontos sobre a peça serve de base para a determinação dos parâmetros de elementos geométricos (dimensão, forma e posição) como por exemplo a distância entre superfícies, o diâmetro e a posição de um círculo, e outros. Para determinar o comprimento de um bloco prismático, é suficiente conhecer as coordenadas dos pontos sobre as faces extremas. O cálculo do comprimento é bastante simples se o bloco estiver posicionado paralelamente a um dos eixos coordenados, tornando-se mais trabalhosa a obtenção do resultado caso a posição do bloco seja aleatória no espaço. Para determinar o diâmetro de um círculo, basta conhecer as coordenadas de três pontos deste círculo. A operação de cálculo relativa a uma posição espacial qualquer é bem mais complexa do que aquela para o círculo contido em plano paralelo a um dos planos definidos por dois eixos coordenado. Nos dois casos, uma solução rápida, precisa e confiável só é possível com o emprego de um computador/ calculadora para efetuar o processamento. A figura 9.3 mostra recursos básicos de processamento geométrico usualmente encontrados em sistemas computadorizados. Esta figura mostra também que os cálculos, em geral, não se baseiam exatamente nos pontos de contato do sensor com a peça, mas sim nas posições dos centros do sensor após o contato, e na compensação do seu raio conforme condições específicas de cada tipo de elemento medido. 2

3 Figura 9.2: Medição de coordenadas: exemplo de medição. Figura 9.3: Determinação de elementos geométricos por coordenada. 3

4 Figura 9.4: Formas construtivas de máquinas de medir por coordenada. 9.3 CONFIGURAÇÕES MECÂNICAS Os cálculos de comprimentos, distâncias entre eixos, diâmetros, ângulos, desvios de planicidade e todos os outros parâmetros geométricos, são feitos a partir das coordenadas de pontos medidos em relação a um sistema coordenado definido pela máquina de medir. Para constituir uma máquina universal de medir, é suficiente capacitála a operarem três coordenadas lineares ortogonais. No entanto, a eficiência é aumentada significativamente, se houver à disposição o recurso do movimento angular em um dos planos coordenados, especialmente tratando-se de peças simétricas de rotação, como engrenagens, discos de cames, etc. (figura 9.2). A figura 9.4 mostra algumas formas construtivas de máquinas de medir. A forma construtiva esta muito relacionada com o volume de medição, com a área de acesso para a peça, com a incerteza de medição e algumas vezes com a própria tecnologia acumulada por um certo fabricante. Os fabricantes em geral equipam suas máquinas com mancais pneumáticos, embora sejam encontradas algumas máquinas guarnecidas com guias de roletes ou esferas recirculantes. Os mancais pneumáticos permitem um movimento com mínimo de atrito, favorecendo alcançar elevado nível de precisão para a MMC. Quanto aos medidores de deslocamento (posição), tem-se o uso generalizado de escalas eletro-ópticas incrementais, operando com resoluções de 0,1 a 2 µm. 9.4 APALPADORES O localizador também é de vital importância na determinação das coordenadas dos pontos, podendo operar com ou sem contato com a peça a medir (figura 9.5). Os sem contato são posicionados manualmente e identificam o ponto com base num sistema óptico de projetor de perfil ou microscópio com cruz reticulada, não sendo próprios para aplicações universais e automatizadas (figura 9.5b). Tais sistemas ópticos têm sido substituídos por câmeras digitais e processamento computadorizado de imagens. 4

5 Figura 9.5: Localizadores. Figura 9.6: Apalpadores laser para máquinas de medir por coordenadas. A figura 9.6 mostra localizadores ópticos mais modernos, baseados em um feixe laser e método de medição por triangulação. Associados a dispositivos articulados de posicionamento, estes localizadores permitem medir, sem contato, superfícies com forma irregular. Os localizadores com contato podem ser rígidos, apresentando diferentes configurações do sensor (figura 9.5a), em função da característica do ponto a ser 5

6 localizado na peça, ou pode ser articulado (figura 9.5c), sendo a localização do ponto de medida relacionada à geração de um sinal elétrico. Figura 9.7: Configurações mecânicas de apalpadores. Há dois tipos básicos de apalpadores: - Apalpador medidor - fornece um sinal proporcional ao deslocamento do sensor após o contato com a peça (figura 9.7); este sinal pode ser usado para o controle de posicionamento (figura 9.8), para o disparo da leitura ou para obter o valor do deslocamento, que adicionado aos valores medidos nas escalas, resulta nas coordenadas do ponto de medição. - Apalpador comutador - fornece um sinal de comutação ( liga/desliga ) após um deslocamento pré-definido do sensor (figura 9.9). Através de uma calibração inicial do apalpador, com determinado sensor, determina-se o diâmetro virtual da esfera, que considera o raio e a deflexão para emissão do sinal. As coordenadas e os parâmetros geométricos do elemento medido são corrigidas com aquele raio. 6

7 Figura 9.8: Máquina de medir coordenadas (tridimensional). Figura 9.9: Apalpadores 3D-Comutador (erros do ponto de referência). Os métodos para obtenção das coordenadas de um ponto no instante de medição são os seguintes: 7

8 - Método diferencial, que consiste na associação dos valores indicados por um apalpador medidor com os valores coordenados das escalas da máquina após o contato com a peça; - Método absoluto, onde as coordenadas da máquina são adquiridas no instante da emissão do sinal de comutação de um apalpador comutador ou em uma condição prédefinida de deflexão de um apalpador medidor. Observa-se que as medições feitas pelo método diferencial são estáticas, ao passo que com o método absoluto elas são dinâmicas. As máquinas de melhor qualidade operam com o apalpador medidor, sendo adequadas a trabalhos em laboratórios. De outro modo, aquelas que operam com o apalpador comutador são mais rápidas e se adequam ao controle geométrico com menores requisitos de precisão, como no controle de qualidade próximo à produção. 9.5 ERROS DE MEDIÇÃO A qualidade dos resultados de uma MMC é função, em primeiro plano, dos erros de medição das coordenadas. Portanto, para alcançar bons resultados deve-se garantir que a máquina tenha movimentos relativos geometricamente bem definidos, com mínimos erros de retilineidade, ortogonalidade, planicidade, etc (mínima distorção do sistema coordenado em relação ao ideal). Isto implica em uma estrutura bastante rígida, de precisão e estável. As fontes de erro em uma máquina de medir coordenadas são muitas e estão indicadas no quadro na figura O elemento mais crítico do sistema é o localizador, no caso, o apalpador. Seguese a estrutura da máquina de medir, que estabelece os movimentos, afetando-os de erros, isto é, com desvios de retilineidade, ortogonalidade, posicionamento, etc. Diversos ensaios são necessários para avaliar a incerteza de medição da MMC, destacando-se aqueles que verificam os erros dos movimentos no espaço e que verificam o comportamento metrológico do apalpador. A normalização destes ensaios ainda é objeto de intensos estudos nos países desenvolvidos. Entre normas e recomendações disponíveis, cita-se: - ISO Coordinate Metrology - Part 2: Performance Assessment of Coordinate Measuring Machines (CMMês), VDI/VDE Accuracy of Coordinate Measuring Machines, Characteristics and their Checking - April, 1986:. Part 1 - Generalities. Part 2 -Uncertainty of measurement specific to the measuring task; length measurement uncertainty 8

9 . Part 3 - Components of measurement diviation. Batt 5 - Ueberwachung von Koordinatenmessgeraeten duch Pruefkoerper. - CCMMA Genauigkeitsspezifikation fuer Koordinaten Messgeraete - Divulgação da CMMA - Coordinate Measuring Machine Manufacturers Association, ANSI/ASME B M/ Methods for Perfamance Evoluation of Coordinate Measuring Machines; Figura 9.10: Fontes de erros em uma máquina de medir coordenadas. Ao final deste capítulo estão anexados alguns resultados de um ensaio geométrico realizado em um máquina de medir por coordenadas de porte médio. Uma MMC destinada a serviços de laboratórios metrológicos, com um espaço de trabalho de 500 x 500 x 500 mm, com escalas eletro-ópticas operando com uma resolução de 0,1 µm apresenta uma incerteza de medição igual ± (0,5 + L/900) µm. Este elevado desempenho metrológico é atingido sob condições climáticas controladas, compensação de erros sistemáticos por software e compensação da dilatação térmica da peça e das escalas da máquina. Outros modelos de MMC, destinados propriamente ao controle industrial apresentam incertezas de medição na faixa de ± 5 a ± 20 µm para comprimentos de trabalho da ordem de 1 m. A compensação de erros sistemáticos é realizada pelo computador, a partir dos resultados de ensaios geométricos realizados pelo fabricante. Um algoritmo próprio 9

10 simula a associação de todas as componentes de erros, determinando o erro que a máquina comete em cada ponto. 9.6 NÍVEIS DE AUTOMAÇÃO Figura 9.11: Máquina de medir coordenadas não automatizada. Algumas configurações de máquinas de medir por coordenadas são apresentadas a seguir conforme o seu nível de automatização. a) MMC com acionamento manual. Correspondem às máquinas mais simples com movimentação manual, leitura e cálculos realizados pelo próprio operador (figura 9.11). Atualmente é uma configuração apenas didática, pois na prática não se pode mais admitir uma MMC sem computador. b) MMC com acionamento manual e com computador. A associação do computador permite realizar trabalhos de medição complexos, com rapidez e confiabilidade. O uso da impressora permite a documentação dos resultados, com os pontos determinados, características de elementos geométricos, parecer quanto a testes de tolerâncias, etc. (figura 16.1). c) MMC com Comando Numérico (CNC) e computador (figura 9.8). Com este sistema dispõe-se da capacidade de programar a medição de uma peça, que desenrolarse automaticamente. O programa é armazenado no computador, que transfere os comandos específicos ao CNC. 10

11 A figura 9.12 mostra o resultado apresentado na medição dos flancos dos dentes de uma engrenagem, de modo totalmente automático. Como resultado obtém-se um gráfico com a representação dos erros dos flancos em relação à geométrica ideal pré-definida. O programa de medição de uma peça pode ser gerado por um computador de maior porte, dotado de um software que elabora a estratégia de medição a partir da geometria nominal da peça. Mais usual entretanto é a técnica de programação por aprendizado. A medição da primeira peça (ou padrão) é realizada semi-automaticamente por um operador especializado que define os pontos de medição, estabelece a seqüência de medição, o percurso do apalpador e informa os valores nominais da geometria e a respectiva tolerância. Nesta primeira fase, o computador permanece no modo aprendizado, onde vai armazenando seqüencialmente todas as informações de operação. Para as demais peças, o computador é colocado no modo medição, repete todo o ciclo, efetuando o controle, o processamento e a documentação pré-estabelecidos; Figura 9.12: Exemplo de relatório gráfico resultante da medição de coordenadas. d) MMC integrada a sistemas de fabricação. Uma MMC (figura 9.13) ou um centro de medição (figura 9.14), controlados por CNC, permite um controle geométrico de peças com grande velocidade e flexibilidade na alteração de programas de medição. dispõe-se de recursos como troca automática de sensores (figura 9.13) ou apalpadores (figura 9.14), bem como alimentação por palets ou robôs (figura 9.18). 11

12 Figura 9.13: Máquina de medir por coordenadas com proteção contra o ambiente e troca automática de sensores. Figura 9.14: Centro de medição com dois cabeçotes de medição e troca automática de sensores. 12

13 Figura 9.15: Máquina de medir por coordenadas (1). 13

14 Figura 9.16: Software de controle manual com capacidades 3D. 9.7 ASPECTOS ECONÔMICOS O custo de uma MMC ainda é bastante alto. Nos países desenvolvidos, onde a mão de obra tem um custo muito elevado, a medição de uma peça com certo grau de complexidade já é significativamente mais econômica com uma MMC do que aplicando a instrumentação clássica. Na avaliação comparativa dos custos, devem ser considerados aspectos como: custo do investimento, depreciação, custo da área de trabalho, facilidade para preparação da medição (programas), tempo de medição, tempo de processamento, manutenção dos sistemas e assistência pós-venda, tamanho dos lotes, capacidade de comunicação com outros sistemas computacionais (troca de dados), etc. 14

15 Não são computados no estudo econômico as vantagens para o sistema produtivo advindos de um tempo de controle bastante reduzido, especialmente, quando se trata de verificação de peças ponta de série, com a finalidade de checar a regulagem das máquinas. Outro aspecto favorável, difícil de traduzir financeiramente, é a possibilidade de solucionar problemas metrológicos de difícil solução com os recursos clássicos. Figura 9.17: Máquina de medir por coordenadas (2). Figura 9.18: Centro de medição com alimentação de peças por robô. A implantação de um sistema de medição por coordenadas exige um estudo técnico-econômico aprofundado e uma adaptação conveniente do sistema de controle de qualidade (especificações em desenhos, por exemplo). 15

16 No intuito de racionalizar a produção e de garantir a qualidade dos produtos, existe a necessidade de se identificar os erros geométricos das peças o mais cedo possível, o que exige um alto grau de automatização e flexibilidade dos sistemas de medição e controle. A atuação do computador será gradativamente mais ampla, aumentando ainda mais a potencialidade da tecnologia de medição por coordenadas. 16