Projeto de um sistema de medição de baixo custo para...
48
CÂMPUS FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL MECÂNICA CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA MECATRÔNICA CHRISTIANO FRAGA ZIRBES Projeto de um sistema de medição de baixo custo para avaliação dinâmica do controle de trajetória em máquinas automáticas Florianópolis - SC 2017
Transcript of Projeto de um sistema de medição de baixo custo para...
CÂMPUS FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL MECÂNICA CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA MECATRÔNICA
CHRISTIANO FRAGA ZIRBES
Projeto de um sistema de medição
de baixo custo para avaliação
dinâmica do controle de trajetória
em máquinas automáticas
Florianópolis - SC
2017
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
CAMPUS FLORIANÓPOLIS
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL MECÂNICA
CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA MECATRÔNICA
CHRISTIANO FRAGA ZIRBES
Projeto de um sistema de medição de baixo custo para avaliação dinâmica do controle de trajetória em máquinas automáticas
Trabalho de Conclusão de Curso submetido ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheira Mecatrônica.
Professor Orientador: André Roberto de Sousa, Dr Eng.
FLORIANÓPOLIS, DEZEMBRO DE 2017.
Projeto de um sistema de medição de baixo custo para avaliação dinâmica do controle de trajetória em máquinas
automáticas
CHRISTIANO FRAGA ZIRBES
Este trabalho foi julgado adequado para obtenção do Título de Engenheira
Mecatrônica e aprovado na sua forma final pela banca examinadora do Curso
Superior de Engenharia Mecatrônica do Instituto Federal de Educação, Ciência
e Tecnologia de Santa Catarina.
Florianópolis, ___ de ____________ de 2017.
Banca Examinadora:
___________________________
André Roberto de Sousa, Dr. Eng.
___________________________
Aurélio da Costa Sabino Netto, Dr. Eng.
_________________________
Gabriel Costa Sousa, Msc.Tecn.
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
SECRETARIA DE EDUCAÇÃO
PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS FLORIANÓPOLIS
DECLARAÇÃO DE FINALIZAÇÃO DE TRABALHO DE
CURSO
Declaro que o(a) estudante Christiano Fraga Zirbes, matrícula n o
do Curso de Engenharia Mecatrônica, defendeu o
trabalho intitulado PROJETO DE UM SISTEMA DE MEDIÇÃO DE BAIXO
CUSTO PARA AVALIAÇÃO DINÂMICA DO CONTROLE DE
TRAJETÓRIA EM MÁQUINAS
AUTOMÁTICAS, o qual está apto a fazer parte do banco de dados
da Biblioteca
Hercílio Luz do Instituto Federal de Santa Catarina, Câmpus
Florianópolis.
Florianópolis,
Prof. Orientador do T
C
dré Roberto Sousa
FEDERAL
Resumo
Máquinas automáticas como máquinas ferramenta com comando numérico
computadorizado (CNC) e robôs necessitam apresentar boa precisão no controle
das trajetórias programadas e, para isso, contribuem principalmente sua
precisão mecânica e o controle eletrônico eficiente da máquina. Erros de
trajetórias em máquinas CNC e robôs acabam por gerar problemas de precisão
comprometendo sua função e até causar acidentes nos processos em que
atuam.
Um dos métodos de ensaio normalizados para avaliar estes erros é o teste
dinâmico de interpolação circular. Neste ensaio, a máquina ou robô é
programado para cumprir uma trajetória circular e os erros em relação a este
círculo programado são medidos em tempo real por uma escala de medição
eletrônica acoplada a um dispositivo mecânico de alta precisão. É um método
eficiente, mas que requer um sistema de medição sofisticado e de alto custo para
a sua adequada realização.
Este projeto teve como objetivo principal o projeto mecânico, eletrônico e de
software, de um sistema de ensaio dinâmico de baixo custo, com a capacidade
de ser instalado em máquinas automáticas e avaliar os seus erros de trajetória.
O sistema foi projetado, com uma metodologia de projeto estruturada, buscando
o emprego de componentes de precisão modulares e de custo mais baixo.
O resultado do trabalho é o projeto detalhado do sistema de medição, com as
especificações mecânicas, eletrônicas e de software para que o sistema seja
construído em projeto de pesquisa em desenvolvimento no IFSC.
Palavras-chave: ensaios geométricos, máquinas CNC, interpolação circular.
ABSTRACT
Automatic machines such as computerized numerical control (CNC)
machines and robots need to have good precision in controlling the programmed
trajectories, and for this, mainly contribute their mechanical precision and efficient
electronic control of the machine. Errors of trajectories in CNC machines and
robots end up generating problems of precision compromising their function and
even causing accidents in the processes in which they act.
A standard test method for evaluating these errors is the dynamic circular
interpolation test. In this test, the machine or robot is programmed to fulfill a
circular path and errors in relation to this programmed circle are measured in real
time by an electronic measurement scale coupled to a high precision mechanical
device. It is an efficient method, but it requires a high cost measurement system.
This project has as main objective the development of a dynamic test system of
low cost, with the capacity to be installed in automatic machines and to evaluate
its errors of trajectory. The system will be designed and built using modular
precision components.
Sumário Resumo .............................................................................................................. 5
ABSTRACT ........................................................................................................ 6
1. Introdução .................................................................................................... 9
1.1 Objetivos .................................................................................................... 10
1.2 Objetivo Geral ............................................................................................ 10
1.3 Objetivos Específicos ................................................................................. 10
2. Principais Erros em Máquinas Automáticas ............................................... 10
2.1 Norma ISO230-4: Ensaio dinâmico de interpolação circular ................... 12
2.2.1 Condições para o teste ........................................................................ 14
2.2.2 Meio ambiente ..................................................................................... 14
2.2.3 Máquina a ser ensaiada ....................................................................... 15
2.2.4 Aquecimento da máquina .................................................................... 15
2.2.5 Parâmetros de ensaio .......................................................................... 15
3 Projeto do Sistema de Ensaio de Interpolação Circular ................................ 16
3.1 Projeto Informacional.................................................................................. 16
3.1.1 Definição dos Requisitos do cliente ..................................................... 17
3.1.2 Pesquisa de anterioridades e Benchmark ........................................... 17
3.2 Projeto Conceitual ...................................................................................... 20
3.2.1 Função Global ..................................................................................... 20
3.2.1.2 Funções Parciais .............................................................................. 20
3.2.2 Matriz Morfológica ............................................................................... 21
3.2.3 Alternativas de concepção ................................................................... 21
3.2.3.1 Avaliação das concepções ............................................................... 23
3.3 Projeto Preliminar ....................................................................................... 24
3.3.1 Detalhamento Funcional ...................................................................... 24
3.3.1.1 Funcionamento do teste ................................................................... 25
3.4 Projeto detalhado ....................................................................................... 29
3.4.1 Detalhamento mecânico ...................................................................... 29
3.4.1.1 Especificação dos mancais ............................................................... 30
3.4.1.2 Base magnética ................................................................................ 30
3.4.2 Processos de fabricação ...................................................................... 30
3.4.3 Sensor de deslocamento ..................................................................... 31
3.4.4 Comunicação ....................................................................................... 33
3.4.5 Especificação geométrica de componentes mecânicos ....................... 34
6 CONCLUSÕES ............................................................................................. 37
7 REFERÊNCIAS ............................................................................................. 39
ANEXO A ......................................................................................................... 41
ANEXO B ......................................................................................................... 43
ANEXO C ......................................................................................................... 48
1. Introdução
As máquinas automáticas apresentam limitações na sua parte mecânica
e nos sistemas de controle eletrônico, que se traduzem em erros nas trajetórias
programadas. Problemas mecânicos como componentes com erros de
geometria, folgas e erros de montagem, se somam a limitações nos sistemas de
controle eletrônico como retardo em servo motores, erros de medição da posição
de eixos, parâmetros de controle mal ajustados, além de influências de dilatação
térmica dos componentes. O somatório destas falhas, pode fazer com que a
máquina automática não tenha a capacidade de cumprir trajetórias programadas
com a exatidão e a velocidade requerida.
Estes erros se transferem diretamente às tarefas de movimentação das
máquinas, causando erros em peças usinadas, trajetórias de soldagem, dentre
outros. Desta forma, é de grande importância poder avaliar a exatidão de uma
máquina automática, durante e após o seu desenvolvimento. Com este objetivo
existem diversos métodos de ensaio que podem ser aplicados para diagnosticar
defeitos e indicar as causas e as devidas correções. Um destes métodos é o
ensaio dinâmico de interpolação circular, no qual a máquina é programada para
cumprir uma trajetória em forma de círculo. Para que cumpra bem esta trajetória,
ela tem que apresentar uma boa exatidão mecânica na sua geometria e um
controle eletrônico bem eficiente, caso contrário o círculo programado não será
cumprido. Ao medir as distorções neste círculo programado pode-se diagnosticar
imprecisões e identificar as causas. Este ensaio é normalizado pela norma
ISO230 [Referência], sendo bastante praticado junto a fabricantes e usuários de
máquinas automáticas.
Os sistemas de medição empregados neste ensaio de interpolação
circular são todos importados e de alto custo, não havendo tecnologia nacional
nessa área. Consistem em um sensor de deslocamento acoplado à máquina a
ser testada, conectado a um software que realiza a leitura de posição em tempo
real, à medida em que a máquina executa a trajetória circular programada. Dado
o alto custo de aquisição destes sistemas, sua utilização no Brasil é bastante
restrita como método de ensaio para diagnóstico de falhas em máquinas
automáticas.
Este trabalho de conclusão de curso teve como objetivo principal o projeto
mecânico, eletrônico e de software, de um sistema de ensaio dinâmico de baixo
custo, com a capacidade de ser instalado em máquinas automáticas e avaliar os
seus erros de trajetória. O sistema foi projetado, com uma metodologia de projeto
estruturada, buscando o emprego de componentes de precisão modulares e de
custo mais baixo.
1.1 Objetivos
Com o objetivo de desenvolver um sistema de ensaio de baixo custo e
adequado aos requisitos de exatidão do ensaio, está em desenvolvimento no
IFSC um projeto de pesquisa, no qual este trabalho se insere, com os objetivos
abaixo descritos.
1.2 Objetivo Geral
Desenvolver as etapas do projeto de um sistema de ensaio dinâmico de
baixo custo, com a capacidade de ser instalado em máquinas automáticas e
avaliar os seus erros de trajetória.
1.3 Objetivos Específicos
Estudar as normas de ensaio de interpolação circular
Estudar sobre os erros em máquinas automáticas
Pesquisar os sistemas de ensaio existentes no mercado;
Desenvolver o projeto informacional e conceitual do sistema
Desenvolver o projeto detalhado do sistema;
Documentar o projeto mecânico, eletrônico e de software do sistema
2. Principais Erros em Máquinas Automáticas
Segundo Sousa, 2000, a alta velocidade de produção trazida pelo CNC para
as máquinas-ferramenta não mais tem sido suficiente para proporcionar uma
vantagem competitiva aos seus usuários. Mais do que isso, buscam-se hoje
equipamentos que aliem alta velocidade, exatidão e flexibilidade, permitindo a
produção de peças diversificadas com tolerâncias estreitas, no menor tempo e
com alta confiabilidade.
Mais do que apresentar confiabilidade operacional é vital que os sistemas de
fabricação apresentem exatidão necessária para a garantia de qualidade
dimensional das peças usinadas. A manufatura atual requer que os sistemas de
fabricação sejam capazes de atender às tolerâncias de projeto e de processo
com pouca ou nenhuma intervenção manual, com um controle dimensional pós
processo realizado com baixa frequência amostral.
Infelizmente os processos de fabricação são sujeitos a vários fatores
perturbadores da sua exatidão na forma de efeitos térmicos, rigidez da máquina,
limitações do sistema de controle e erros geométricos nos componentes
mecânicos. Por isso (figura 1), é limitada a exatidão possível de ser obtida nas
peças usinadas por qualquer máquina ferramenta. Estes fatores causam
alterações indesejáveis no comportamento geométrico da máquina, provocando
erros de posição e trajetória para os eixos da máquina, com reflexos na
geometria final do produto. (A.SOUSA, 2000).
Figura 1 – Principais fontes de erro em máquinas automáticas.
Fonte: Sousa, 2000.
Os efeitos térmicos internos e externos à máquina alteram a sua geometria
mecânica. Durante a operação, a máquina-ferramenta sofre influência térmica causadas por fatores internos e externos, que causam deformações térmicas na estrutura da máquina afetando seu comportamento geométrico. Internamente, os centros de usinagem possuem várias fontes de calor. Dentre as mais significativas estão:
Motores de acionamento das mesas e ferramenta de corte;
Fusos que transmitem o movimento dos motores às mesas da máquina;
Mancais que suportam o movimento de mesas e ferramentas;
O sistema hidráulico;
O processo de corte e os cavacos que se depositam sobre a área de trabalho.
O sistema de controle também possui não idealidades funcionais. Devido a
limitações de tempo e de performance do CNC, trajetórias programadas nem sempre são seguidas pelos eixos móveis de uma máquina, principalmente em trajetórias curvas e nos cantos vivos, situações que exigem maior velocidade de processamento do CNC. Trajetórias circulares, muito comuns em usinagem devido à frequência de elementos circulares nas peças, apresentam ainda a influência da inversão dos eixos em cada quadrante do círculo, e esta inversão
exige uma resposta bem controlada dos servos motores, além de haver influência de folgas nos elementos de máquina empregados, principalmente fusos de esferas e porcas.
A Rigidez Finita também é uma fonte de erros importante na medida em que esforços estáticos e dinâmicos sobre a máquina provocam deformações elásticas que alteram o seu comportamento geométrico. Os esforços de usinagem normalmente não são uma causa importante de deformações na estrutura da máquina visto que a condição de acabamento, que define a dimensão das peças, é realizado com baixos esforços de corte.
Os Erros Geométricos da estrutura da máquina são fontes importantes de
erros. Limitações na fabricação e montagem dos componentes da máquina-
ferramenta estão sempre presentes, e desgastes ocorridos com o uso da
máquina juntamente com alterações estruturais modificam o comportamento
geométricos da máquina, levando a erros de trajetória e posicionamento na
movimentação dos seus eixos [64-67].
2.1 Norma ISO230-4: Ensaio dinâmico de interpolação circular
Os erros explicados no item anterior se manifestam de modo combinado
no comportamento da máquina, sendo necessário o emprego de métodos
normalizados para avaliar se o equipamento está operando dentro do seu erro
máximo especificado. A Norma ISO230-4 é um destes documentos
normalizados e traz uma especificação de teste mais voltada para a avaliação
do comportamento dinâmico da máquina automática. Dado que o ensaio é
realizado de modo rápido e sem carga estática ou esforço de corte, este teste
objetiva principalmente avaliar erros de controle e erros geométricos da
máquina. Erros térmicos e erros por falta de ridigez mecânica não são o objetivo
principal do método.
De um modo geral esta norma visa verificar a precisão cinemática de
máquinas de 4 e 5 eixos (máquinas com 3 eixos lineares). Os testes podem
verificar a precisão de contorno dos caminhos lineares e circulares, movendo
simultaneamente os três eixos cartesianos tradicionais e 1 ou 2 eixos rotativos.
Como com todos os padrões, isso proporciona uma medida de desempenho ao
invés de fornecer dados de compensação para corrigir a máquina.
Quase todos os testes que a norma ISO 230-4 especifica podem ser
realizados usando um ballbar, sistema de teste que será explicado mais adiante.
Durante os movimentos de eixos múltiplos, uma máquina ferramenta estará
tentando manter uma separação fixa entre a ponta da ferramenta e a peça de
trabalho. Assim um ballbar é capaz de medir o desempenho de contorno,
medindo qualquer desvio entre a ponta da ferramenta e a peça de trabalho
enquanto seguem os caminhos dos eixos. Com base nos testes podem ser
identificados erros como: desajuste no sistema de controle, folgas e histerese,
perpendicularidade entre eixos, erros de escala e na reversão de eixos e excesso
de atrito e vibrações. Na figura 3 vemos uma ilustração do método da norma ISO
230-4.
Nesta figura pode-se verificar que a máquina é programada para deslocar-
se de modo circunferencial em relação a um centro de giro. A variação na
distância entre a parte móvel e a parte fixa (raio de giro) tem que ser medida em
tempo real à medida que a máquina executa o movimento radial. Se a máquina
executa um círculo perfeito não há variação no raio de giro e, assim, o sensor
nada mede. No entanto, devido às imperfeições normais no movimento da
máquina, causado pelos fatores acima descritos, haverá variação no raio de giro,
que deve ser medido e registrado pelo sistema de ensaio para posterior análise.
Para cada tipo de erro que a máquina possui há um padrão de resultado
gráfico gerado no ensaio. Uma máquina com erro de posicionamento em uma
direção irá gerar uma elipse alinhada com o eixo de maior erro. Uma máquina
com erro de perpendicularidade irá gerar um gráfico na forma de uma elipse
inclinada a 45º. Uma máquina com histerese na movimentação dos eixos irá
gerar um gráfico com descontinuidades em cada um dos quadrantes (0, 90, 180
e 270 graus), e assim por diante. Além das sinalizações que cada gráfico gera,
deve-se também extrair parâmetros numéricos para cada erro.
Figura 3 – Ilustração do método previsto na norma ISO 230-4.
Fonte: O autor.
Ensaio de interpolação circularMáquina Automática Análise dos resultados e diagnóstico
Erro de posicionamento
linear
Erro de perpendicularidade
Erro de histerese
Desajuste no ganho dos servo motores
A título de exemplo de um dos procedimentos existentes na norma, para
se determinar a histerese circular, devem ser medidas duas trajetórias reais
consecutivamente, uma em sentido horário e outra em sentido anti-horário (ISO
230-4, 2001) na figura 4 temos uma exemplificação disto, onde os números
significam:
Zero - Inicio da trajetória; Um - Trajetória real, sentido horário; Dois - Trajetória real, sentido anti-horário;
Figura 4 – Histerese circular
Fonte: Norma ABNT ISO 230-4
2.2.1 Condições para o teste
Para a realização dos testes previstos na norma ISO230-4, há que se
cuidar com algumas condições para os experimentos, como condição ambiente,
condição da máquina a ser ensaiada e aquecimento da máquina. Para tal estas
condições são normatizadas conforme descrito a seguir.
2.2.2 Meio ambiente
Nas situações onde a temperatura do ambiente pode ser controlada, esta
deve ser mantida próxima a 20ºC. Nos casos onde a temperatura não for
controlada, a máquina e o instrumento de medição devem permanecer no
ambiente de ensaio tempo suficiente para alcançar uma condição térmica
estável antes de iniciar o ensaio. Os mesmos devem estar protegidos de
correntes de ar e radiação externa (ISO 230-4,2001).
2.2.3 Máquina a ser ensaiada
A máquina deve estar completamente instalada e totalmente operacional.
Todas as operações necessárias de nivelamento e verificações de
funcionamento devem ser realizadas antes de iniciar os ensaios de histerese
circular, desvio circular e radial. Todos os ensaios devem ser realizados com a
máquina na condição sem carga, isto é, sem a peça de trabalho (ISO 2301-
4,2001).
2.2.4 Aquecimento da máquina
Os ensaios devem ser precedidos por um procedimento apropriado de
aquecimento especificado pelo fabricante da máquina ou acordado entre usuário
e fornecedor/fabricante. Se nenhuma outra condição for especificada, os
movimentos preliminares devem ser restritos somente aos necessários para
montagem do instrumento de medição (ISO 230-4, 2001).
2.2.5 Parâmetros de ensaio
Diversos parâmetros de ensaio devem estar bem configurados e devem
ser todos eles registrados para que se possa analisar os resultados de modo
coerente. Segundo a norma (ISO 230-4,2001) estes parâmetros são:
a) Diâmetro ou raio da trajetória nominal (programada);
b) Avanço do contorno;
c) Sentido de contorno (horário ou anti-horário);
d) Eixos da máquina movimentados para produzir trajetória real;
e) Localização do instrumento de medição na região de trabalho da
máquina-ferramenta;
f) Temperatura somente para medição do desvio radial;
g) Método de aquisição de dados;
h) Qualquer rotina de compensação da máquina usada durante o ciclo
de ensaio;
i) Posição das guias ou elementos moveis sobre os eixos que não
estão sendo ensaiados.
3 Projeto do Sistema de Ensaio de Interpolação Circular
Como metodologia de projetos foi utilizado o modelo “ProDIP” englobando
as etapas de projeto informacional, projeto conceitual, projeto preliminar e
projeto detalhado como visto na figura 01. Cada uma das etapas possuiu sua
entrada e sua saída de informações, concluindo uma etapa e dando início à
etapa seguinte. Neste trabalho desenvolveu-se até a etapa de projeto detalhado
tendo como saída a documentação do produto.
Figura 1 – Modelo Prodip de metodologia de projetos
Fonte: Projeto Integrado de Produtos.
3.1 Projeto Informacional
Este item contém informações sobre o produto, tais como: definição do
produto, clientes, e suas necessidades bem como o desenvolvimento e
transformação das mesmas por solicitação dos interessados, requisitos do
projeto e suas especificações, que serão as diretrizes para o desenvolvimento
do produto.
3.1.1 Definição dos Requisitos do cliente
Para o desenvolvimento do sistema de ensaio, os principais pré-requisitos
são a boa exatidão, a facilidade de transporte, uma interface homem-máquina
(IHM) simples e de fácil entendimento de instalação em máquinas CNC, e baixo
custo de aquisição e manutenção.
O sistema de medição deve apresentar, como requisitos de exatidão:
Capacidade de medição de deslocamentos com erro máximo abaixo de
1m;
Capacidade de adquirir sinais a uma taxa de aquisição de 100 Hz.
3.1.2 Pesquisa de anterioridades e Benchmark
Para assegurar que as máquinas automáticas atendam às exigências de
precisão especificados, é necessário avaliar experimentalmente a sua
capacidade de controle de posição e trajetórias, e, com esse objetivo, há
diversas normas internacionais [ISO230, VDI3441, ANSI/ASME B5.54-2008] que
definem ensaios padronizados. Em alguns destes testes, a máquina é
programada para cumprir uma trajetória e um sistema de medição é empregado
para avaliar, em tempo real, os erros em relação à trajetória ideal programada.
Como resultado, consegue-se diagnosticar se a máquina atende aos requisitos
de precisão especificados, além de identificar erros que podem ser corrigidos.
Este teste é bastante significativo para se conhecer a condição da máquina pois
é realizado em modo dinâmico. Folgas, vibrações, erros de controle e outros que
existam na máquina serão detectados.
Para este tipo de avaliação, pode-se citar algumas soluções mais atuais. Em
comum estas tecnologias têm o fato de serem bastante sofisticadas e eficientes
para o teste de máquinas, serem todas importadas e com alto custo de aquisição.
Interferômetros a laser com dispositivos ópticos para ensaios de
posicionamento e trajetória;
Placa óptica sensível com a capacidade de rastrear a posição e trajetória
dos eixos móveis da máquina;
Barra de esferas telescópica para ensaio dinâmico de interpolação
circular;
Laser tracker com a capacidade de rastrear a posição na máquina no
espaço tridimensional.
Focado na busca de uma solução de baixo custo foi realizada uma
pesquisa para se descobrir o que já existe atualmente no mercado brasileiro e
internacional. A empresa que mais se destacou nesta busca foi a empresa
Renishaw da Inglaterra, tradicional fabricante de sistemas de medição de
precisão. A empresa possui um produto muito eficiente e bem fabricado, de
utilização bastante simples e prática. Junto do hardware (figura 2), integra-se um
software para o gerenciamento de todo o processo de medição, aquisição dos
dados de medição, geração do gráfico característico do ensaio e dos parâmetros
numéricos dos erros. A figura 3 ilustra a interface deste produto.
Figura 2 – Sistema Ballbar da empresa Renishaw
Fonte: Renishaw.com
O ballbar apresentado pela empresa indica facilidade, rapidez e precisão
nos testes realizados com ele. Segundo a empresa, “O teste com o ballbar
possibilita a verificação simples e rápida do desempenho de posicionamento da
máquina-ferramenta CNC em conformidade com as normas internacionais,
permitindo que os usuários comparem e acompanhem o desempenho de suas
máquinas e rapidamente diagnostiquem os problemas e a causa dos erros. ”
(RENISHAW, 2015).
Este ballbar ainda possui acessórios extras: uma extensão que possibilita
o aumento do raio de circunferência para o teste e um adaptador para testes em
máquinas de dois eixos.
Figura 3 - Software BallBar 20
Fonte: Renishaw.com
Outro método similar ao sistema ballbar da Renishaw é o sistema de
comparação VM 182 da empresa Heidenhain da Alemanha. O sistema é indicado
para testes de aprovação, inspeção e calibração de máquinas-ferramentas e
equipamentos de medição. Tem uma faixa de medição de 1520 mm. O VM 182
pode ser usado para determinar as curvas de erro (linear e não linear), assim
como o erro de inversão de eixos, ortogonalidade e erro de posicionamento do
sistema de movimentação analisado este produto pode ser visto na figura 4, de
acordo com a norma ISO 230-2. (HEINDENHAIN, 2014).
Em comum aos dois sistemas propostos pelas empresas está uma alta
exatidão de medição com uma simplicidade e agilidade nos testes. Fornecem
uma visão geral do estado da máquina e, pelo fato de serem importados,
possuem custo de aquisição considerável dados todos os encargos fiscais e
diferenças cambiais existentes entre o Brasil e os seus países de origem. Este
custo de aquisição acaba por desmotivar a indústria nacional à prática de
ensaios periódicos de diagnóstico de suas máquinas ferramenta, e desperdiçar
todo o potencial de melhorias possíveis de implementar em processos de
usinagem.
Figura 4 – VM - 182
Fonte: HEINDENHAIN
3.2 Projeto Conceitual
Nesta etapa do modelo “prodip” do projeto conceitual, as informações
coletadas na etapa anterior são usadas para definir um produto que gere uma função global a ser atendida e, para que isto ocorra, se faz necessário que as sub-funções cumpram o seu papel a fim de que a máquina atenda com eficiência a sua finalidade.
Isto posto, se focou na maneira como resolver as sub-funções do produto passando-se, então, para a etapa de criar concepções do produto, avaliando informações e dados baseados na qualidade e nas vantagens e desvantagens de uso para o mesmo. Depois de analisados os diversos conceitos decidiu-se qual atendeu as nossas exigências, sendo feito um esboço do mesmo.
3.2.1 Função Global
A função definida como global será a de fazer a medição com exatidão
das variações mínimas no raio enquanto a máquina segue uma trajetória circular
programada ao redor da mesa.
3.2.1.2 Funções Parciais
Combinando as seguintes funções parciais se compõe a função global.
Medir (sensor)
Fixar na máquina (produto)
Transmitir dados (comunicação com computador)
Gerar gráfico
Calcular os erros
3.2.2 Matriz Morfológica
A partir das funções parciais foi elaborada a Matriz Morfologia, que
apresenta as possíveis soluções para avaliar a aplicação e custo-benefício dos
componentes na tabela 1.
Tabela 1 – Componentes e aplicações
Funções Meios
Medir LVDT Régua
potenciométrica Relógio
comparador
Fixar na mesa Base
Magnética Parafusar na
mesa Parafuso e porca
Transmitir dados
Cabo de dados
Placa condicionadora
de sinal Cabo serial
Deslocamento Mancal
magnético Mancal linear
Rolamento de esferas
Aquisição de dados
Excel Software Renishaw
AD698
Fonte: O autor
3.2.3 Alternativas de concepção
Após a conclusão da matriz morfológica passou-se a ter as funções e sub-
funções definidas, obtendo-se a base necessária para a formulação de
concepções alternativas, baseadas na seleção de componentes, as quais são
Medir
Energia
Programação CNC
Dados
formuladas tendo em vista a viabilidade de implantação, custo-benefício e as
funcionalidades específicas. Neste sentido duas concepções foram elaboradas,
descritas na tabela 02 e visualizadas na figura 5.
A concepção 1 consta de uma barra telescópica com um sensor LVDT no
seu interior, com a capacidade de ser fixada pelas extremidades nas partes fixa
e móvel da máquina.
A concepção 2 consta de uma chapa onde está fixado um relógio
comparador eletrônico como sensor. Este sensor apalpa uma barra fixada no
eixo árvore de máquina. A chapa está conectada à mesa da máquina por meio
de um rolamento e um eixo conectado a uma base magnética.
Tabela 2 – Concepções do sistema idealizado
Funções Concepção 1 Concepção 2
Sensor LVDT Relógio comparador
Fixar na mesa Base magnética Base magnética
Transmitir dados Placa condicionadora de sinal Cabo de transmissão
Deslocamento Rolamento linear Barra cilíndrica
Aquisição dos dados Programa Excel Software insize
Fonte: O autor
Figura 5 – Concepções idealizadas
Fonte: O autor
Concepção 1 Concepção 2
3.2.3.1 Avaliação das concepções
Após gerar as possíveis concepções, foi necessária a formulação de um
método avaliativo para a escolha da concepção vencedora. Esse método requer
levar em consideração os requisitos de cliente e de projeto, para que a
concepção final escolhida atenda da melhor forma possível as necessidades do
mesmo. Para tal avaliação, formulou-se os seguintes critérios:
Capacidade de medição no plano
Capacidade de medição no espaço
Exatidão do sensor
Exatidão esperada para o sistema
Custo de desenvolvimento
Praticidade operacional
Facilidade de Manutenção
Para estes critérios foram estabelecidas métricas quantitativas e qualitativas e
as duas concepções foram avaliadas, como pode ser visto na tabela 3.
Tabela 3 – Avaliação das concepções do sistema idealizado
Concepção 1 Concepção 2
Capacidade de medição no plano Sim Sim
Capacidade de medição no espaço Sim Não
Exatidão do sensor 0,01 m 1 m
Exatidão esperada para o sistema 0,5 m 5 m
Custo de desenvolvimento R$ 3.000,00 R$ 1.200,00
Praticidade operacional Alta Alta
Facilidade de Manutenção Média Alta
Nesta avaliação observa-se que a concepção 2 é bem mais simples e de
custo mais baixo. No entanto, apresenta limitações operacionais pois só é capaz
de realizar testes no plano enquanto a concepção 1 pode fazer no espaço. Mais
do que essa limitação operacional, há a limitação de exatidão metrológica
esperada para a concepção 2, devida sua simplicidade funcional e a aspectos
de projeto como:
Menor rigidez nas fixações
Menor exatidão no sensor de deslocamento
Influência da exatidão de giro do rolamento
Influência do erro de forma do eixo apalpado pelo relógio
comparador
Limitação na frequência de aquisição pelo relógio comparador
A concepção 1 mostra-se, em princípio, metrologicamente mais vantajosa
por aspectos como:
Sensor com exatidão superior
Obediência ao princípio de Abbe
Maior rigidez mecânica
Menor número de partes móveis
Menor influência de erros de forma de componentes
No entanto, o custo do sistema é maior, principalmente pelo custo do
LVDT, além do circuito de condicionamento de sinais ser mais elaborado.
Dado que a exatidão da concepção 2 é insuficiente para atender os
requisitos do cliente especificados no projeto informacional, esta concepção foi
descartada. Deste modo, após a avaliação de todos os fatores decisivos na
escolha da concepção final que supriria de forma mais eficaz a demanda do
cliente, sem ter que abrir mão de uma solução economicamente viável e que
seja de interesse do mesmo, o projeto prosseguiu detalhando a concepção 1.
3.3 Projeto Preliminar
Após definido o conceito a ser seguido deu-se início a fase preliminar do
projeto, que visa dar dimensão e funcionalidade a concepção criada
anteriormente. É nesta fase que se inicia a seleção dos componentes e
equipamentos, modelagem de peças e estudo das funcionalidades que farão
com que os requisitos do cliente sejam satisfeitos, de maneira a respeitar suas
especificações, dimensionamento e viabilidade econômica. Para tais tarefas
foram utilizados softwares computacionais como Solidworks e Microsoft Visio os
quais nos auxiliaram na modelagem do equipamento e elaboração do diagrama
funcional.
3.3.1 Detalhamento Funcional
Com o intuito de esclarecer o funcionamento do equipamento como um
todo, explicaremos a seguir o funcionamento de cada uma das concepções,
mostrando a diferença de funcionamento entre elas.
3.3.1.1 Funcionamento do teste
Como o objetivo final das duas perspectivas e a execução do teste de
ballbar, iremos descrever o teste com maiores detalhes, demostrando a
diferença de cada uma delas no momento das etapas do teste. Em teoria toda
máquina CNC que você designar irá seguir à risca as coordenadas que estão no
programa. No caso deste teste, se for programado que se faça uma
circunferência o círculo seria perfeito e com raio constante durante o percurso
da máquina, porém, o que se vê na prática, mostra que muitos fatores na sua
geometria, podem apresentar desgaste de peças e o controle pode acarretar
com que este raio feito pelo equipamento, saia de sua trajetória programada.
Neste sentido é que entra o teste de ballbar que compara o real com o
programado e assim se teria a medida de precisão do equipamento CNC.
Para iniciar-se o teste se fixa a base magnética como é visto na figura 11 a mesa
do equipamento CNC.
Figura 11 – Base com haste.
Fonte: O autor
Após isso deve-se com cuidado fixar o conjunto contendo o sensor LVDT como
mostra a figura 12.
Figura 12 – Conjunto com LVDT.
Fonte: O autor
Com os passos anteriores deve-se preparar o CNC em que o teste será realizado
e, neste caso, pode-se realizar teste. Para que isso ocorra, prenda a peça
conexão eixo-arvore no suporte de ferramenta do CNC zere o centro de
usinagem prenda a peça com a esfera no eixo arvore do equipamento e com
cuidado aproxime da montagem anteriormente realizada, na figura 13 temos
uma percepção melhor do equipamento podemos observar os imãs que ficam
no cone da base, assim como o sensor LVDT no interior do tubo.
Figura 13 – Equipamento montado
Fonte: O autor
Com os componentes mecânicos montados passamos, à parte de preparação
de comunicação para que possamos ajustar e preparar a comunicação via
software. Para isso, será utilizado uma placa condicionadora de sinal
desenvolvida para este trabalho, para a comunicação com o computador será
utilizada uma entrada USB.
Após o sistema estar todo montado, passa-se ao ensaio propriamente dito. A
máquina é comandada a deslocar-se em interpolação circular e o comparador
irá medir os desvios em relação a esta trajetória circular o cabo de aquisição de
dados irá enviar ao software pontos de amostragem definidos pelo usuário, 4
aquisições por segundo seria uma taxa de amostragem adequada, na figura 114
temos um ensaio realizado testando o controle numérico da máquina no lado A
temos o resultado sem a ação do controle, mostrando um “Backlash” na inversão
do sentido de giro dos eixos, no lado B o sistema de controle entra em ação
tentando amenizar este erro.
Figura 14 – Teste circular em um centro de usinagem
Fonte: W. Knapp
Em seu artigo para um seminário de engenharia de precisão W Knapp demonstra
erros utilizando um software projetado por ele para mostrar que vários erros
influenciam este teste, estes erros estão disponíveis no ANEXO A deste trabalho.
3.4 Projeto detalhado
Após definidas as soluções aplicadas ao projeto, partiu-se para o
detalhamento, onde os módulos foram adequados e as especificações dos
componentes disponíveis, contendo uma descrição especifica de cada módulo,
com os esquemas e folhas de desenho dos mesmos.
3.4.1 Detalhamento mecânico
Tendo em vista o início do processo de fabricação foram geradas as folhas
de desenho das peças que passariam por algum processo. Estas se encontram
no ANEXO B ao final deste trabalho.
3.4.1.1 Especificação dos mancais
A solução utilizada para concepção 1: Rolamento linear fechado, modelo
LM6SUU com diâmetro interno de 6mm e externo de 12mm com comprimento
de 19mm. Esta escolha ocorreu em função das características de exatidão que
para este rolamento são.
3.4.1.2 Base magnética
Como solução para a fixação definiu-se por projetar e construir uma base
magnética específica para o projeto, em função das especificidades técnicas e
ao menor custo. Esta base magnética utilizará um imã circular de neodímio com
revestimento de cromo níquel inserida no suporte da base. As especificações
desta base são:
Força de 2,5kgf;
Diâmetro de 10mm;
Altura de 2mm.
3.4.2 Processos de fabricação
Na tabela 3 abaixo, são descritos os processos utilizados para a
fabricação das peças que não serão adquiridas prontas.
Tabela 3 – Processos de fabricação
Peças Processo Máquinas utilizada
Haste conexão eixo máquina
Torneamento Torno CNC
Base magnética Fresamento Centro de usinagem CNC
Conexão esfera
tubo maior Torneamento Torno CNC
Conexão esfera
tubo menor Torneamento Torno CNC
Fonte: O autor
3.4.3 Sensor de deslocamento
Para o sensor da concepção 2 que foi escolhido um relógio comparador
da marca Insize modelo 2112-101F com capacidade de medição de
12,7mm/0.5”, resolução de 0,001mm/0.00005”, com entrada para cabo de
dados.
Para a concepção 1 foi adotado um sensor LVDT (Linear Variable Differential
Transformer) da marca Peter Hirt Gmbh, modelo T101F. Na tabela 4 podemos
ver algumas de suas características.
Uma breve explicação do funcionamento de um sensor LVDT seria que para se
realizar a medição, aplica-se uma corrente alternada a bobina primaria,
acarretando uma tensão em cada uma das bobinas secundarias que é
proporcional a indutância mutua com a bobina primária. Geralmente a frequência
está entre 1 e 10 Baseado na movimentação do núcleo, a indutância mútua se
altera, ocasionando com que as tensões nas bobinas secundárias se alterem.
Quando o núcleo está na posição central, equidistante em relação às
duas bobinas secundarias, tensões iguais, porém opostas são induzidas nas
bobinas sendo assim a tensão total de saída igual a zero.
Se o núcleo é movimentado em uma direção a tensão em uma das bobinas
secundárias aumenta enquanto a outra diminui, assim a tensão aumenta de zero
para um máximo, esta tensão está em fase com a tensão da bobina primaria.
Quando o núcleo se move em outra direção a tensão de saída também aumenta
de zero para um máximo, mas sua fase é oposta à fase primária. A amplitude da
tensão na saída é proporcional à distância percorrida em seu núcleo. Sendo
assim a fase da tensão indica a direção do deslocamento.
Sendo assim, segundo catalogo do fabricante de nosso sensor a bobina primaria
e as duas secundarias possuem as ligações expressas na figura 15.
Figura 15 – Sensor LVDT
Fonte: Peter Hirt.ch
Tabela 4 – Propriedades sensor LVDT
Faixa de medição(mm)
± 2mm
Vida útil >10 milhões de ciclos
Ponteira 3mm feita de tungstênio, com rosca M2.5 para fixação
Plug 5 Pinos
Repetibilidade 0,01 µm
Frequência do driver
13kHz ±5%
Sensibilidade 3 V ± 0.5%RMS
Fonte: http://www.peterhirt.ch/en/product_groups/t100-serie.
Figura 15 – Fios do sensor LVDT
Fonte: Singer instruments and control
3.4.4 Comunicação
Solução para a concepção 2: Cabo de dados da Insize modelo RS232.
Com este modelo acompanha um software para coleta dos pontos que pode ser
importado para uma planilha de Excel.
Solução para concepção 1: Para este equipamento será necessária uma
placa condicionadora de sinal para comunicação com computador no ANEXO C
pode-se ver o esquemático inicial proposto da placa. Embora dispormos de
algumas soluções prontas no mercado, foi decidido que iríamos desenvolver
uma na Instituição e para isso foi feito um estudo para entender melhor o que
seria necessário para o bom funcionamento do sensor, assim chegou-se a um
diagrama que pode ser observado na figura 16 e escolhido utilizar um micro
controlador AD 698 que já é bem conhecido no mercado para cuidar do sinal do
LVDT e um stm 32 para transmitir os dados ao computador, podemos ver o
diagrama funcional de blocos do AD 698 na figura 17.
Figura 16 – Diagrama de uma placa para LVDT
Fonte: O autor
Figura 17 – Diagrama funcional de blocos AD698
Fonte: AD698 Datasheet
3.4.5 Especificação geométrica de componentes mecânicos
Para que o sistema de medição possa apresentar exatidão desejada é
necessário que vários de seus componentes não tenham erro dimensional e de
forma acima de certos valores. Neste item são descritos estes componentes e
suas tolerâncias. A montagem do sistema e a sua operacionalização irá agregar
erros aos resultados das medições. Embora o sensor LVDT tenha exatidão sub
micrométrica, espera-se que o sistema completo apresente erros de medição
abaixo de 1 m, atendendo assim as necessidades dos ensaios.
3.4.5.1 Esferas
As esferas onde são fixadas aas bases que irão nas partes fixa e móvel
da máquina não podem ter uma ovalização grande pois isso irá fazer deslocar o
sensor, causando um falso erro na trajetória circular da máquina. As esferas
escolhidas são de classe de precisão 1, com um erro de forma inferior a 0,002
mm, conforme mostra a figura 18.
Figura 18 – Detalhe da esfera de aço
Fonte: O autor
3.4.5.2 Cone de fixação na mesa
A região de contato do cone com a esfera não pode ter um erro de forma
elíptico pois isso iria provocar uma folga no acoplamento esfera-cone. Desse
modo, este assentamento do cone deve ter um erro de circularidade abaixo de
0,002 mm, como mostra a figura 19. Um erro de forma trilobular, por exemplo,
que garanta que a esfera se apoie sempre em 3 pontos no cone, não trará
problemas de exatidão ao sistema.
Figura 19 – Detalhe Cone de fixação
Fonte: O autor
3.4.5.3 Tubo de sustentação do sistema
Para que o LVDT não fique com folgas radiais excessivas dentro do tudo é
necessário que o diâmetro interno deste tubo apresente uma tolerância
dimensional de 0,2 mm, como mostra a figura 20.
Figura 20 – Detalhe tubo exterior
Fonte: O autor
É importante observar que muitas das tolerâncias especificadas são bastante
precisas. Diante disso talvez não se consiga fabricar dentro destes limites, mas,
mesmo assim, as peças podem funcionar bem dentro do sistema. Por isso, após
a fabricação as peças devem ser medidas em máquinas de medir de alta
exatidão do laboratório de metrologia e os erros encontrados devem ser
analisados se comprometem a função do sistema de teste. Caso comprometam
a função, os componentes devem ser fabricados novamente ou corrigidos. Caso
não comprometam a função, podem ser montados e utilizados.
6 CONCLUSÕES
O presente trabalho de conclusão de curso buscou estudar em detalhes
o ensaio de interpolação circular recomendado pela norma ISO230-4 e conceber
um sistema de teste de baixo custo para a realização deste ensaio. A razão de
escolher este tipo de ensaio decorreu da sua grande praticidade operacional, ser
reveladora de vários erros da máquina, e de poder ser realizada com
instrumentação de custo mais baixo do que outros ensaios geométricos.
O desenvolvimento deste projeto propiciou o conhecimento em detalhes
da realidade existente no Brasil em termos de instrumentação para ensaios de
máquinas e da importância da prática de ensaios periódicos em máquinas
ferramenta CNC. Muito poucas empresas usuárias de máquinas automáticas
possuem a cultura de ensaios em suas máquinas e, com isso, há um grande
potencial de vantagens que são desperdiçadas. Umas das principais causas
para isso é o custo da instrumentação empregada nos testes, inacessível para
grande parte das empresas no mercado nacional. Diante desta realidade
procurou-se desenvolver um sistema que apresentasse viabilidade técnica para
ser utilizada nestes ensaios e que tivesse um custo baixo para motivar usuários
de máquinas a ensaios frequentes.
A partir da caracterização do mercado alvo e dos requisitos dos clientes,
iniciou-se a tarefa de desenvolver conceitos de solução que foram elaborados e
avaliados mediante critérios de valor. Essa valoração permitiu definir uma das
concepções como mais promissora, sobre a qual se fez um detalhamento do
projeto mecânico e eletrônico. Neste detalhamento se projetou um sistema
mecânico capaz de ser empregado no teste de interpolação, se estudou e se
definiu opções de mercado em termos de componentes mecânicos e sensores.
Desse trabalho resultou o projeto detalhado do sistema de teste apresentado
neste documento, que tem como sensor um LVDT de alta exatidão e baixo custo.
Além do sistema mecânico, se pesquisou e se definiu os componentes
eletrônicos para elaborar circuitos de alimentação elétrica do LVDT e de
tratamento dos sinais gerados pelo sensor. Para a comunicação destes sinais
com um computador se pesquisou e se definiu componentes de hardware
capazes de realizar esta operação com a velocidade necessária ao ensaio.
Todos estes circuitos e componentes foram modelados e especificados.
Os sistemas mecânicos e eletrônicos foram, assim, especificados e
projetados para atender um requisito de exatidão definidos nas etapas iniciais do
projeto. No entanto, a implementação prática deste projeto tem que ser
acompanhada de medições e testes de calibração e validação. Estes ensaios
certamente irão revelar necessidades de otimização do sistema e são
imprescindíveis na obtenção de um sistema de teste que atenda com proficiência
as necessidades.
Dado que um dos motivadores do trabalho foi o baixo custo do sistema de
ensaio, fez-se uma análise econômica do sistema desenvolvido, havendo a
estimativa de que o seu custo final esteja abaixo de R$ 3.500,00 sendo o
principal item de custo o sensor LVDT. Sistemas comerciais disponíveis no
mercado custam cerca de R$ 60.000,00 (sessenta mil reais). Como já citado,
dado o alto custo de aquisição destes sistemas, sua utilização no Brasil é
bastante restrita como método de ensaio para diagnóstico de falhas em
máquinas automáticas.
Diante dos objetivos estabelecidos no início do trabalho, constata-se que
o mesmo foi concluído com êxito. Este projeto terá continuidade no contexto de
projeto de pesquisa do IFSC onde serão realizadas a parte de integração entre
mecânica, eletrônica e de software, além da sua validação metrológica. Espera-
se com a finalização do projeto de pesquisa gerar um sistema de medição que
terá utilidade didática em disciplinas da área de mecânica de precisão em cursos
técnicos, de graduação e de pós-graduação do departamento de mecânica,
disponibilizados também para outros Campi do IF-SC. O projeto do sistema foi a
primeira etapa deste objetivo.
7 REFERÊNCIAS
Anderson, P. H. Methodology for evaluating the production accuracy of machine
tools. Tese de Doutorado - Tampere University of Technology, Publications 102,
1992.
HEIDENHAIN (Germany) (Org.). Measuring Systems for Machine Tool
Inspection and Acceptance Testing. 2014. Disponível em:
<http://www.heidenhain.de/de_EN/products-and-applications/comparator-
systems/>. Acesso em: 25 SET 2017.
RENISHAW (Org.). Telescoping ballbar systems. 2014. Disponível em:
<http://www.renishaw.com/en/telescoping-ballbar-systems--6813>. Acesso em:
8 SET 2017.
BACK, N. ET AL.. Projeto Integrado de Produtos: Planejamento, Concepção
e Modelagem. Barueri/SP: Editora Manole, 2008.
PETER HIRT Gmbh (Suiça). Disponivél em:
<www.peterhirt.ch/en/product_groups/t100-serie>. Acesso em: 15 OUT 2017
ISO 230-4, Test code for machine tools Part 4: Circular tests for numerically
controlled machine tools, ISO; 2001.
ISO 230-1, Código de ensaio de máquina-ferramenta Parte 1: Exatidão
geométrica de máquina-ferramenta operando sem carga ou em condições
de acabamento, ISO, 1999.
SOUSA A, Padrões Corporificados e a Tecnologia de Medição por
Coordenadas Inovando a Qualificação Geométrica de Centros de
Usinagem, Julho, 2000.
Knapp W. (Switzerland). Testing NC Machine Tools WithThe Circular Test.
Institut fur Werkzeugmaschinenbau und Fertigungstechnik
ETH Zurich , Switzerland.1985. D
Knapp W. (Switzerland). Circular test for three-coordinate measuring
machines and machine tools. Switzerland, 1983.
Knapp W. Control of the accuracy of a multi-coordinate measuring machine
UNO/ECE Seminar on Present Use and Prospects for Precision Measuring
Instruments in Engineering Industries, Dresden, GDR, 20-24 September 1982,
paper R2.
ANEXO A
Na tabela abaixo Knapp mostra e detalha os erros mostrados acima
Alguns erros de não perpendicularidades que não estavam na tabela, ele rretrata
na figura abaixo.
ANEXO B
ANEXO C
