PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UMA MÁQUINA DE MEDIÇÃO POR COORDENADAS

AUTOMATIZADA

EDLEUSOM S. SILVA, LUIZ H. M. S. NÓBREGA, VERÍLTON N. SILVA, MARTILIANO S. FILHO

Laboratório de Metrologia, Departamento de Indústria, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia –

Campus Cajazeiras

Cep 58900-000, Rua José Antonio da Silva S/N Jardim Oásis – Cajazeiras – PB

E-mails:edleusoncz@gmail.com, henriquenobrega.ifpb@gmail.com, verilton.silva@ifpb.edu.br,

martiliano.soares@ifpb.edu.br

Abstract Measurements are made very naturally in our day-by-day and covers practically all branches of human activity. Cur-

rently, industry and other productive sectors could have not gotten in the way they are known today without reliable measure-

ments had been made before. Over the past years the market has become more competitive, which is why companies are invest-

ing heavily in products with greater quality assurance and low cost in their manufacturing process. In order to obtain results with

a high degree of reliability, Coordinate Measuring Machines (CMMs) are widely used in industrial metrology, because these ma-

chines are basically devices that measure the three-dimensional geometric characteristics of parts, having as one of the most im-portant elements the system probe (sensor for contact). This sensor provides the machine location information of the workpiece

surface relative to the machine coordinate system. From this idea was developed a prototype of an automated CMM using a touch

trigger probe, that it can be used in activities in the metrology laboratory at Federal Institute of Paraíba (IFPB – campus Cajazei-ras).

Keywords Automatic mensuration, Coordinate Measuring Machines, Metrology, Touch trigger probe, Dimensional quality.

Resumo Medições são feitas com muita naturalidade em nosso dia-a-dia e abrange praticamente todos os ramos da atividade humana. Atualmente, tanto a indústria como outros setores produtivos não poderiam ter chegado na forma como são conhecidos

hoje sem que medições confiáveis tivessem sido efetuadas antes. Nos últimos anos o mercado vem se tornando mais competitivo,

motivo pelo qual as empresas estão investindo fortemente em produtos com uma maior garantia de qualidade e baixo custo, em seu processo de fabricação. Para a obtenção de resultados com um alto grau de confiabilidade, as Máquinas de Medição por Co-

ordenadas (MMCs) são bastante utilizadas na metrologia industrial, pois, estas máquinas são basicamente equipamentos que me-

dem as características geométricas tridimensionais de peças, tendo como um dos elementos mais importantes o sistema de apal-

pação (sensor por contato). Este sensor fornece a máquina informações da localização da superfície da peça em relação ao siste-

ma de coordenadas da máquina. A partir desta ideia foi desenvolvido um protótipo de uma MMC didática automatizada que utili-

za um sensor do tipo touch trigger, para que a mesma possa ser usada em atividades no laboratório de metrologia do Instituto Fe-deral de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB – campus Cajazeiras).

Palavras-chave Medição automática, Máquina de Medição por Coordenadas, Metrologia, Sensor touch trigger, Qualidade

dimensional.

1 Introdução

Nas últimas décadas, o aumento da competição

vem mudando a forma com que as empresas abor-

dam os processos produtivos. Atualmente, em plena

era globalizada, a concorrência está ficando cada vez

mais acirrada. Não há mais espaço para produtos de

baixa qualidade. A qualidade dos produtos tem que

ser assegurada, o que só acontece quando os sistemas

de medição confiáveis forem utilizados no controle

da qualidade da produção. Com isso, a tecnologia de

medição por coordenadas também conhecida como

medição tridimensional é uma ferramenta que vem se

consolidando cada vez mais nos processos de garan-

tia da qualidade dos produtos em diversos setores de

produção.

De acordo com Ferreira (2007), as Máquinas de

Medição por Coordenadas (MMCs), vulgarmente

conhecidas como máquinas 3D, são equipamentos

que medem as características geométricas tridimen-

sionais de qualquer tipo de peças, elas vem desen-

volvendo um papel fundamental no que diz respeito

aos avanços que a metrologia dimensional tem obtido

nos anos mais recentes.

Este trabalho tem como finalidade fazer o levan-

tamento bibliográfico das MMCs, o projeto e desen-

volvimento de um protótipo, para fins didáticos, no

sentido de implementá-lo nos estudos de metrologia

dimensional aos alunos do IFPB campus Cajazeiras,

fazendo o levantamento de características metrológi-

cas da máquina, como a incerteza de medição. Para o

protótipo desta máquina, utilizou-se um sensor do

tipo touch trigger que também será abordado com

detalhes.

Nóbrega (2011) afirma que o preço de um apal-

pador de uma Máquina de Medição por Coordenada

representa um valor significativo em comparação ao

preço total da máquina, particularmente, para as

aplicações de alta exatidão. Neste sentido, surge a

pergunta: É possível, utilizando a tecnologia existen-

te para os apalpadores, desenvolver um sistema com

custo menor capaz de atender a demandas de deter-

minados processos de fabricação que exigem menor

exatidão? A resposta desta pergunta é a principal

motivação deste trabalho.

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

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2 MMC e sensor Touch Trigger: princípio de fun-

cionamento

A definição dimensional de uma peça é realizada

geometricamente em um espaço tridimensional,

sendo esse espaço caracterizado por três eixos per-

pendiculares entre si, chamados de X, Y e Z. Esses

eixos são os responsáveis por definirem o sistema

tridimensional. Tendo como referência tais eixos,

quando uma medição é efetuada, um ponto no espaço

é projetado no plano de referência, no qual é definido

suas coordenadas no plano X-Y, assim como uma

terceira coordenada no eixo Z, correspondente à

altura perpendicular aos outros eixos. A Figura 1

ilustra de forma clara o plano cartesiano com os três

eixos e um ponto, representando uma coordenada

obtida por uma medição efetuada.

Figura 1. Sistema de coordenadas tridimensional

As MMCs são compostas por um sistema de co-

ordenadas cartesiano em que os três eixos são linea-

res e perpendiculares entre si, como pode ser visto na

Figura 2. Entre as principais características deste tipo

de máquina destacam-se a robustez, alto grau de

estabilidade e também um bom volume útil de medi-

ção, associado a uma grande exatidão.

Figura 2. Eixos de uma MMC. Fonte: Nóbrega (2011).

Uma Máquina de Medição por Coordenadas é

formada basicamente por equipamentos mecânicos

(mesa de coordenadas, estrutura de sustentação,

mancais, eixos guia e acionamentos), equipamentos

eletrônicos (controladores, servomotores, cabeçote

apalpador e circuito de controle), e equipamentos

ópticos (escalas de medição optoeletrônicas), com o

funcionamento gerenciado por um computador e

através de funcionamento computacional para medi-

ção (Rolim, 2003). A Figura 3 ilustra de uma forma

simples uma MMC, destacando os principais compo-

nentes da mesma, sendo eles:

1. Estrutura mecânica da MMC propriamente dita;

2. Sistema de apalpação, ou seja, elemento que entra

em contato com a superfície da peça;

3. Unidade de controle, que irá fornecer as informa-

ções metrológicas e as coordenadas do objeto

inspecionado.

Figura 3.Composição básica de uma MMC

O primeiro sensor de toque multidirecional foi

desenvolvido pelo Sr. McMurtry enquanto trabalhava

na fábrica da Rolls-Royce em Bristol e seu desafio

era inspecionar tubulações de combustível das turbi-

nas Olympus usada no Concorde, tarefa que requeria

cuidado especial no controle da deflexão dos tubos

de 6,0 mm de diâmetro (Nóbrega, 2011).

É importante destacar que os apalpadores Touch

Trigger foram de fundamental importância para a

evolução e desenvolvimento das MMCs, sendo que o

princípio dos contatos elétricos é usado até hoje. Os

componentes principais que compõem o sensor estão

em destaque na Figura 4.

Figura 4. Esquema mecânico do touch trigger.

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A mola de sujeição atua como um gatilho do sis-

tema. Neste caso, quando a força sobre a parte móvel

(ponta de contato e atuadores) for maior do que a

força da mola sobre o conjunto móvel, o sistema de

atuadores elétricos se separa, interrompendo assim a

corrente elétrica no sensor.

Como os atuadores estão dispostos a 120° entre

si, a ação pode ocorrer quando a força na parte móvel

for aplicada em qualquer uma das direções radiais do

sensor. Esta capacidade aliada à repetitividade de

atuação da mola é que conferem ao sensor multidire-

cional a exatidão e flexibilidade necessária para uso

em uma MMC (Bueno, 2009).

Essa configuração de apalpadores tem-se um

circuito elétrico formado por três contatos cinemáti-

cos, sendo que cada contato é isolado um do outro e

uma corrente elétrica irá percorrê-los, pois os mes-

mos são ligados por condutores elétricos. A Figura 5

ilustra com mais detalhes o funcionamento dos con-

tatos cinemáticos mostrando o sentido da passagem

da corrente.

Figura 5. Contatos cinemáticos do touch trigger.

3 Projeto e desenvolvimento do sensor Touch

Trigger

Com o objetivo de desenvolver um sistema de

medição de baixo custo capaz de efetuar inspeções de

forma automática, o protótipo desenvolvido foi idea-

lizado utilizando o princípio dos contatos cinemáti-

cos para o desenvolvimento do apalpador Touch

Trigger.

Para a construção do sensor e de toda estrutura

de sustentação, foi utilizado uma ferramenta CAD

para realizar o dimensionamento, que servirá como

uma base para a construção do protótipo.

A Figura 6 ilustra o sensor desenvolvido na pla-

taforma CAD, apresentando os detalhes da peça.

Figura 6. Projeto do sensor obtido através de software CAD.

O sensor é constituído pelas seguintes partes: três

cilindros que servirão para fechar o contato elétrico

do circuito, formado pelos contatos cinemáticos; uma

base que servirá para dar suporte a todos componen-

tes do sensor, que deverá ser construído de material

isolante para não interferir no sinal dos contatos

elétricos; uma haste do sensor, para dar o compri-

mento necessário para alcançar a peça a ser medida;

e uma esfera de apalpação, localizada na extremidade

da haste, para entrar em contato com a peça a ser

inspecionada.

A estrutura desenvolvida e o sensor podem ser

vistos nas Fig. 7 e 8, respectivamente.

O apalpador foi instalado em uma estrutura de

dois graus de liberdade, permitindo realizar medições

com a movimentação de dois eixos. Com esta estru-

tura, é possível realizar medições em peças de pe-

queno volume, que normalmente são dimensões

utilizadas para fins didáticos em atividades de labora-

tório.

O sensor projetado fica inserido em um suporte

fixado no eixo vertical da máquina. Dentro deste

suporte, o sensor fica em repouso sobre uma base de

acrílico, onde nesta base estão as esferas que com-

põem os contatos cinemáticos.

Figura 7. Estrutura desenvolvida.

Haste do

sensor

Esfera de

apalpação

Cilindros Base

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Figura 8. Sensor construído.

4 Instrumentação do sistema

Concluído a construção mecânica do apalpador e

de sua estrutura, foi dado início a instrumentação do

sistema.

Para a instrumentação do sistema foi utilizado um

microcontrolador, que será o responsável por realizar

os comandos de acionamento dos motores e captura

dos dados do encoder. Este último será instalado no

eixo horizontal da máquina, que é um dispositivo

capaz de contar ou reproduzir pulsos elétricos a partir

do movimento rotacional de seu eixo. Para visualiza-

ção das informações pertinentes as medições, utili-

zou-se uma tela de LCD.

Quando o sistema está energizado e pronto para

efetuar as medições, é mostrada duas opções no dis-

play LCD que compõe a máquina, tal mensagem faz

referência ao tipo de medição que se deseja efetuar.

As medições poderão ser do tipo interna, como por

exemplo: a medição do diâmetro de um furo; ou

externo, que irá servir para a medição do comprimen-

to de peças. A Fig. 9 mostra o display no momento

da inicialização do sistema.

Figura 9. LCD mostrando as opções de medição.

Para a aquisição das coordenadas, no momento

em que o sensor entra em contato com a peça, o

encoder fornece a quantidade de pulsos que corres-

ponde a distância deslocada pela máquina. A Figura

10 mostra o encoder acoplado na mesa de coordena-

das.

Para a movimentação dos eixos do protótipo fo-

ram utilizados dois motores CC que são acionados

por botões que fazem os motores girarem nos dois

sentidos. Fazendo assim com que o eixo vertical e

horizontal tenha liberdade de movimento.

Figura 10. Encoder acoplado ao eixo da mesa de coordenadas.

O encoder ou gerador de pulsos tem como carac-

terística principal a conversão dos movimentos rota-

tivos do fuso em informações elétricas, sendo esse

sinal emitido como uma onda quadrada que gera uma

quantidade exata de pulsos por volta. Esses pulsos

emitidos pelo encoder terão que ser convertidos em

algo que possa ser compreendido pelo operador.

Nesse caso os sinais emitidos pelo encoder deverá

ser convertido na distância percorrida pela mesa de

coordenadas.

O sensor que foi usado é composto por um dis-

co com 150 divisões e uma chave óptica, que é a

responsável pela captação dos pulsos do encoder por

volta ou fração de volta do fuso que tem um passo de

3 mm, ou seja, a cada volta do fuso a mesa se movi-

menta 3 mm, obtendo assim como resultado final

uma quantidade de pulsos proporcional ao desloca-

mento da base da mesa de coordenadas. Para a ob-

tenção da resolução do encoder foi utilizada a Equa-

ção (1).

(1)

(2)

O encoder trabalha como um sensor barreira de

luz, sendo que as divisões do mesmo irão interrom-

per o feixe de luz do acoplador óptico, gerando um

sinal elétrico para o microcontrolador em cada inter-

rupção. Como o encoder está acoplado no eixo o

sinal enviado do sensor para o microcontrolador será

na mesma frequência em que a mesa se movimenta.

Para a automatização e controle do protótipo de-

senvolvido foi utilizado um microcontrolador PIC

16F877A, onde é o responsável por todo o controle

de movimentação do sistema, juntamente com a

recepção do sinal do sensor e a conversão dos dados

enviados pelo encoder na distância percorrida pela

mesa no momento em que o sensor Touch Trigger é

acionado.

4 Procedimentos experimentais e

resultados

Com a finalidade de se obter mensurandos com

alto controle dimensional, duas peças foram fabrica-

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das em um centro de usinagem modelo ROMI D600.

Nas peças, foi feito um furo nominal de 16,0 mm em

uma e na outra foi feito um furo nominal de 24,0

mm.

Em seguida, as peças construídas foram medidas

em uma MMC industrial modelo TESA MICRO-

HITE 3D, com o objetivo de se obter os Valores

Verdadeiros Convencionais (VVCs) de suas dimen-

sões, tendo os valores reais para a dimensão dos

furos. Para isso, realizou-se três medições consecuti-

vas para cada furo e calculou a média dos valores.

Após as medições efetuadas, foram obtidos os VVCs

dos diâmetros dos furos. Os valores obtidos foram

15,834 e 24,001 mm. A Figura 11 mostra a peça com

furo de diâmetro de 15,834 mm que foi usinada.

Figura 11. Peça usinada no centro de usinagem.

A Tabela 1 apresenta em sua primeira linha os

VVCs das peças fabricadas e medidas. Abaixo de

cada um destes valores, as 20 medições realizadas

utilizando o protótipo.

Tabela 1. Resultados das medições efetuadas no protótipo

N° Ø 15,834 mm Ø 24,001 mm

1 15,96 23,96

2 15,96 24,04

3 15,96 24,02

4 15,92 24,06

5 15,98 23,96

6 15,94 24,04

7 15,92 23,98

8 15,98 23,98

9 15,98 24,04

10 15,92 23,92

11 15,92 23,94

12 15,94 23,96

13 15,98 23,98

14 15,94 23,92

15 15,98 24,08

16 15,98 23,98

17 15,98 24,04

18 15,96 24,02

19 15,94 23,94

20 15,96 24,02

Média 15,95 23,99

Com a finalidade de determinar o nível de dis-

persão das medições realizadas com o protótipo do

sensor desenvolvido, foi calculado o desvio padrão

das amostras, conforme Equação (3).

Desvio padrão

√∑

(3)

Onde: σ = Desvio padrão; Mi = i-ésima medição;

= Média das medições; n = Quantidade de

medições.

A incerteza padrão (u) corresponde à medida

da intensidade da componente aleatória, e quando

calculada a partir de um conjunto de medições

repetidas, esta corresponde ao desvio padrão das

amostras (Nóbrega, 2011). Utilizando os resultados

obtidos nas 20 medições que foram realizadas, na

peça com furo de dimensão nominal de 15,834 mm, a

incerteza obtida foi de 24,8 µm. Enquanto que na

peça de dimensão de 24,001 mm, foi obtido um valor

de incerteza de ± 44,1µm.

Fazendo um comparativo do desempenho da

máquina com um instrumento manual, tomamos

como base um paquímetro universal de marca

Mitutoyo, série 532-121, de resolução de 0,02 mm,

que possui exatidão de ± 0,04 mm, ou ± 40 µm

(Mitutoyo, 2014). A máquina apresenta nos

resultados que, automaticamente, pode apresentar

desempenho igual ou superior a um instrumento

manual.

A repetitividade corresponde a faixa de valores

dentro da qual as indicações do processo de medição

são esperadas (Albertazzi e Sousa, 2008).

Matematicamente, corresponde a Equação 4.

(4)

Sendo Re = a repetitividade do sistema; t =

Coeficiente de student; u = a incerteza padrão.

Utilizando um coeficiente de student para uma

probabilidade de 99,00% (t = 2,845), nas medições

realizadas, para o furo de dimensão nominal de

15,834 mm, a repetitividade encontrada foi de ± 70,5

µm. E para o furo de dimensão nominal 24,001 mm,

a repetitividade obtida foi ± 125,0 µm.

4 Conclusão

O trabalho realizado permitiu o estudo e acesso

ao conhecimento construtivo e de funcionamento dos

sensores do tipo Touch Trigger, normalmente utili-

zados em máquinas de medição que usam sensores

de medição por contato. Foi possível projetar e de-

senvolver uma máquina de medição de baixo custo,

capaz de realizar medições de comprimentos em

regiões internas e externas de peças de pequeno vo-

lume dimensional, que normalmente são utilizados

em trabalhos acadêmicos na disciplina de metrologia

dimensional.

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O sistema desenvolvido é capaz de realizar medi-

ções com satisfatório desempenho, tanto da parte

mecânica como da parte da instrumentação realizada.

Com a obtenção dos resultados do protótipo pode

ser concluído que o sistema tem uma boa repetitivi-

dade, além de ter um baixo valor de incerteza no

resultado das medições, sendo assim, os resultados se

mostraram bastante satisfatórios e confiáveis, como o

sistema é automatizado, o operador não terá influên-

cia nos resultados de medição.

Este protótipo será de grande serventia para o La-

boratório de Metrologia do IFPB, campus Cajazeiras.

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