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Capítulo 9Capítulo 9

MÁQUINAS DE MEDIR POR COORDENADASMÁQUINAS DE MEDIR POR COORDENADAS

9.1 IMPORTÂNCIA9.1 IMPORTÂNCIA

Ao longo de alguns anos ocorreu intensivo desenvolvimento tecnológico nosprocessos de usinagem das peças, destacando-se o surgimento dos centros de usinagemcom comando numérico. Paralelamente, refinaram-se as exigências quanto àconformidade geométrica dos componentes de sistemas mecânicos resultando emespecificações mais severas de projeto, de modo a garantir um elevado desempenhofuncional dos mesmos. Pelo não desenvolvimento da tecnologia de medição no mesmoritmo, criou-se uma defasagem tecnológica a tal ponto, que o controle de certas peçastornava-se extremamente difícil e economicamente inviável.

A aplicação racional da tecnologia de medição por coordenadas tornou-se viávelcom 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, deforma universal, com um mínimo de dispositivos e instrumentos específicos, ascoordenadas de certos pontos sobre a peças a controlar. Tais pontos convenientementeprocessados pelo computador associado, resultam os parâmetros geométricos da peça.

O desenvolvimento das máquinas de medir por coordenadas (MMC) foifavorecido ainda pela evolução dos sistemas de medição de deslocamento eletrônicos,que permitem elevar a sua qualidade e viabilizaram a sua integração com sistemasautomatizados de fabricação. As MMC's têm em comum com tais sistemas a característicade grande flexibilidade.

9.2 MEDIÇÃO POR COORDENADAS9.2 MEDIÇÃO POR COORDENADAS

Com base nos sistemas de medição de deslocamento das máquinas de medir porcoordenadas, é possível conhecer a posição que um elemento localizador ocupa dentrodo espaço de trabalho da máquina (figura 9.2). Este localizador, operando por princípioseletro-mecânico e articulado, é chamado de apalpador. Esclarecendo de modo grosseiro,

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ele relaciona o ponto de contato do seu sensor com a peça a um ponto de referênciaconhecido dentro do sistema coordenado.

Figura 9.1: Máquina de medir coordenadas (tridimensional).Figura 9.1: Máquina de medir coordenadas (tridimensional).

A determinação das coordenadas dos pontos sobre a peça serve de basepara a determinação dos parâmetros de elementos geométricos (dimensão, forma eposição) como por exemplo a distância entre superfícies, o diâmetro e a posição de umcírculo, e outros.

Para determinar o comprimento de um bloco prismático, é suficiente conhecer ascoordenadas dos pontos sobre as faces extremas. O cálculo do comprimento é bastantesimples se o bloco estiver posicionado paralelamente a um dos eixos coordenados,tornando-se mais trabalhosa a obtenção do resultado caso a posição do bloco sejaaleatória no espaço. Para determinar o diâmetro de um círculo, basta conhecer ascoordenadas de três pontos deste círculo. A operação de cálculo relativa a uma posiçãoespacial qualquer é bem mais complexa do que aquela para o círculo contido em planoparalelo a um dos planos definidos por dois eixos coordenado. Nos dois casos, umasolução 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 usualmenteencontrados 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, massim nas posições dos centros do sensor após o contato, e na compensação do seu raioconforme condições específicas de cada tipo de elemento medido.

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Figura 9.2: Medição de coordenadas: exemplo de medição.Figura 9.2: Medição de coordenadas: exemplo de medição.

Figura 9.3: Determinação de elementos geométricos por coordenada.Figura 9.3: Determinação de elementos geométricos por coordenada.

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Figura 9.4: Formas construtivas de máquinas de medir por coordenada.Figura 9.4: Formas construtivas de máquinas de medir por coordenada.

9.3 CONFIGURAÇÕES MECÂNICAS9.3 CONFIGURAÇÕES MECÂNICAS

Os cálculos de comprimentos, distâncias entre eixos, diâmetros, ângulos, desviosde planicidade e todos os outros parâmetros geométricos, são feitos a partir dascoordenadas de pontos medidos em relação a um sistema coordenado definido pelamáquina de medir. Para constituir uma máquina universal de medir, é suficiente capacitá-la a operarem três coordenadas lineares ortogonais. No entanto, a eficiência éaumentada significativamente, se houver à disposição o recurso do movimento angularem um dos planos coordenados, especialmente tratando-se de peças simétricas derotação, como engrenagens, discos de cames, etc. (figura 9.2). A figura 9.4 mostraalgumas formas construtivas de máquinas de medir. A forma construtiva esta muitorelacionada com o volume de medição, com a área de acesso para a peça, com aincerteza de medição e algumas vezes com a própria tecnologia acumulada por umcerto fabricante. Os fabricantes em geral equipam suas máquinas com mancais pneumáticos, emborasejam encontradas algumas máquinas guarnecidas com guias de roletes ou esferasrecirculantes. Os mancais pneumáticos permitem um movimento com mínimo de atrito,favorecendo alcançar elevado nível de precisão para a MMC. Quanto aos medidores dedeslocamento (posição), tem-se o uso generalizado de escalas eletro-ópticasincrementais, operando com resoluções de 0,1 a 2 µm.

9.4 APALPADORES9.4 APALPADORES

O localizador também é de vital importância na determinação das coordenadasdos pontos, podendo operar com ou sem contato com a peça a medir (figura 9.5). Ossem contato são posicionados manualmente e identificam o ponto com base num sistemaóptico de projetor de perfil ou microscópio com cruz reticulada, não sendo próprios paraaplicações universais e automatizadas (figura 9.5b). Tais sistemas ópticos têm sidosubstituídos por câmeras digitais e processamento computadorizado de imagens.

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Figura 9.5: Figura 9.5: Localizadores.Localizadores.

Figura 9.6: Figura 9.6: Apalpadores laser para máquinas de medir por coordenadas.Apalpadores laser para máquinas de medir por coordenadas.

A figura 9.6 mostra localizadores ópticos mais modernos, baseados em um feixelaser e método de medição por triangulação.

Associados a dispositivos articulados de posicionamento, estes localizadorespermitem medir, sem contato, superfícies com forma irregular.

Os localizadores com contato podem ser rígidos, apresentando diferentesconfigurações do sensor (figura 9.5a), em função da característica do ponto a ser

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localizado na peça, ou pode ser articulado (figura 9.5c), sendo a localização do ponto demedida relacionada à geração de um sinal elétrico.

Figura 9.7: Configurações mecânicas de Figura 9.7: Configurações mecânicas de apalpadores.apalpadores.

Há dois tipos básicos de apalpadores:

- Apalpador medidor - fornece um sinal proporcional ao deslocamento do sensorapós o contato com a peça (figura 9.7); este sinal pode ser usado para o controle deposicionamento (figura 9.8), para o disparo da leitura ou para obter o valor dodeslocamento,que adicionado aos valores medidos nas escalas, resulta nas coordenadas do ponto demedição.

- Apalpador comutador - fornece um sinal de comutação ( liga/desliga ) após umdeslocamento pré-definido do sensor (figura 9.9).Através de uma calibração inicial do apalpador, com determinado sensor, determina-se odiâmetro virtual da esfera, que considera o raio e a deflexão para emissão do sinal. Ascoordenadas e os parâmetros geométricos do elemento medido são corrigidas comaquele raio.

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Figura 9.8: Máquina de medir coordenadas (tridimensional).Figura 9.8: Máquina de medir coordenadas (tridimensional).

Figura 9.9: Figura 9.9: Apalpadores 3D-Comutador (erros do ponto de referência).Apalpadores 3D-Comutador (erros do ponto de referência).

Os métodos para obtenção das coordenadas de um ponto no instante de medição são osseguintes:

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- Método diferencial, que consiste na associação dos valores indicados por umapalpador medidor com os valores coordenados das escalas da máquina após o contatocom a peça;

- Método absoluto, onde as coordenadas da máquina são adquiridas no instante daemissão do sinal de comutação de um apalpador comutador ou em uma condição pré-definida de deflexão de um apalpador medidor.

Observa-se que as medições feitas pelo método diferencial são estáticas, ao passoque com o método absoluto elas são dinâmicas.

As máquinas de melhor qualidade operam com o apalpador medidor, sendoadequadas a trabalhos em laboratórios. De outro modo, aquelas que operam com oapalpador comutador são mais rápidas e se adequam ao controle geométrico commenores requisitos de precisão, como no controle de qualidade próximo à produção.

9.5 ERROS DE MEDIÇÃO9.5 ERROS DE MEDIÇÃO

A qualidade dos resultados de uma MMC é função, em primeiro plano, dos errosde medição das coordenadas. Portanto, para alcançar bons resultados deve-se garantirque a máquina tenha movimentos relativos geometricamente bem definidos, commínimos erros de retilineidade, ortogonalidade, planicidade, etc (mínima distorção dosistema 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 sãomuitas e estão indicadas no quadro na figura 9.10.

O elemento mais crítico do sistema é o localizador, no caso, o apalpador. Segue-se 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 verificamo comportamento metrológico do apalpador.

A normalização destes ensaios ainda é objeto de intensos estudos nos paísesdesenvolvidos. Entre normas e recomendações disponíveis, cita-se:

- ISO 10.360 - Coordinate Metrology - Part 2: Performance Assessment of CoordinateMeasuring Machines (CMMês), 1993

- VDI/VDE 2617 - Accuracy of Coordinate Measuring Machines, Characteristicsand their Checking - April, 1986:

. Part 1 - Generalities

. Part 2 -Uncertainty of measurement specific to the measuring task; lengthmeasurement uncertainty

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. Part 3 - Components of measurement diviation

. Batt 5 - Ueberwachung von Koordinatenmessgeraeten duch Pruefkoerper.

- “CCMMA” Genauigkeitsspezifikation fuer Koordinaten Messgeraete - Divulgaçãoda CMMA - Coordinate Measuring Machine Manufacturers Association, 1982.

- ANSI/ASME B89.1.12M/1985 - Methods for Perfamance Evoluation ofCoordinate Measuring Machines;

Figura 9.10: Fontes de erros em uma máquina de medir coordenadas.Figura 9.10: Fontes de erros em uma máquina de medir coordenadas.

Ao final deste capítulo estão anexados alguns resultados de um ensaio geométricorealizado em um máquina de medir por coordenadas de porte médio.

Uma MMC destinada a serviços de laboratórios metrológicos, com um espaço detrabalho de 500 x 500 x 500 mm, com escalas eletro-ópticas operando com umaresolução de 0,1 µm apresenta uma incerteza de medição igual ± (0,5 + L/900) µm. Esteelevado desempenho metrológico é atingido sob condições climáticas controladas,compensação de erros sistemáticos por software e compensação da dilatação térmica dapeça e das escalas da máquina.

Outros modelos de MMC, destinados propriamente ao controle industrialapresentam incertezas de medição na faixa de ± 5 a ± 20 µm para comprimentos detrabalho da ordem de 1 m.

A compensação de erros sistemáticos é realizada pelo computador, a partir dosresultados de ensaios geométricos realizados pelo fabricante. Um algoritmo próprio

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simula a associação de todas as componentes de erros, determinando o erro que amáquina comete em cada ponto.

9.6 NÍVEIS DE AUTOMAÇÃO9.6 NÍVEIS DE AUTOMAÇÃO

Figura 9.11: Máquina de medir coordenadas não automatizada.Figura 9.11: Máquina de medir coordenadas não automatizada.

Algumas configurações de máquinas de medir por coordenadas são apresentadasa seguir conforme o seu nível de automatização.

a) MMC com acionamento manual. Correspondem às máquinas mais simples commovimentação manual, leitura e cálculos realizados pelo próprio operador (figura 9.11).Atualmente é uma configuração apenas didática, pois na prática não se pode maisadmitir uma MMC sem computador.

b) MMC com acionamento manual e com computador. A associação do computadorpermite realizar trabalhos de medição complexos, com rapidez e confiabilidade. O usoda 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 estesistema dispõe-se da capacidade de programar a medição de uma peça, que desenrolar-se automaticamente. O programa é armazenado no computador, que transfere oscomandos específicos ao CNC.

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A figura 9.12 mostra o resultado apresentado na medição dos flancos dos dentes deuma engrenagem, de modo totalmente automático. Como resultado obtém-se um gráficocom 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 maiorporte, dotado de um software que elabora a estratégia de medição a partir da geometrianominal da peça. Mais usual entretanto é a técnica de programação por aprendizado. Amedição da primeira peça(ou padrão) é realizada semi-automaticamente por um operador especializado que defineos pontos de medição, estabelece a seqüência de medição, o percurso do apalpador einforma os valores nominais da geometria e a respectiva tolerância. Nesta primeira fase,o computador permanece no modo “aprendizado”, onde vai armazenandoseqüencialmente todas as informações de operação. Para as demais peças, ocomputador é colocado no modo “medição”, repete todo o ciclo, efetuando o controle,o processamento e a documentaçãopré-estabelecidos;

Figura 9.12: Exemplo de relatório gráfico resultante da medição de coordenadas.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 centrode medição (figura 9.14), controlados por CNC, permite um controle geométrico depeças 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).

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Figura 9.13: Máquina de medir por coordenadas com proteção contra o ambiente e trocaFigura 9.13: Máquina de medir por coordenadas com proteção contra o ambiente e trocaautomática de sensores.automática de sensores.

Figura 9.14: Centro de medição com dois cabeçotes de medição e troca automática deFigura 9.14: Centro de medição com dois cabeçotes de medição e troca automática desensores.sensores.

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

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Figura 9.16: Software de controle manual com capacidades 3D.Figura 9.16: Software de controle manual com capacidades 3D.

9.7 ASPECTOS ECONÔMICOS9.7 ASPECTOS ECONÔMICOS

O custo de uma MMC ainda é bastante alto. Nos países desenvolvidos, onde amão de obra tem um custo muito elevado, a medição de uma peça com certo grau decomplexidade já é significativamente mais econômica com uma MMC do que aplicandoa instrumentação clássica. Na avaliação comparativa dos custos, devem ser consideradosaspectos como: custo do investimento, depreciação, custo da área de trabalho, facilidadepara preparação da medição (programas), tempo de medição, tempo de processamento,manutenção dos sistemas e assistência pós-venda, tamanho dos lotes, capacidade decomunicação com outros sistemas computacionais (troca de dados), etc.

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Não são computados no estudo econômico as vantagens para o sistema produtivoadvindos de um tempo de controle bastante reduzido, especialmente, quando se trata deverificação de peças ponta de série, com a finalidade de checar a regulagem dasmáquinas. Outro aspecto favorável, difícil de traduzir financeiramente, é a possibilidadede solucionar problemas metrológicos de difícil solução com os recursos clássicos.

Figura 9.17: Máquina de medir por coordenadas (2).Figura 9.17: Máquina de medir por coordenadas (2).

Figura 9.18: Centro de medição com alimentação de peças por robô.Figura 9.18: Centro de medição com alimentação de peças por robô.

A implantação de um sistema de medição por coordenadas exige um estudotécnico-econômico aprofundado e uma adaptação conveniente do sistema de controle dequalidade (especificações em desenhos, por exemplo).

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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 cedopossível, o que exige um alto grau de automatização e flexibilidade dos sistemas demedição e controle. A atuação do computador será gradativamente mais ampla,aumentando ainda mais a potencialidade da tecnologia de medição por coordenadas.