Trabalho de Metrologia Maquina de Medição Tridimensional e Medidior de Perfil

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TRABALHO DE METROLOGIA
MÁQUINA DE MEDIÇÃO TRIDIMENSIONAL 
E 
PROJETOR DE PERFIL
Acadêmicos
Fernanda Duarte França
Marcelo Henrique Pante
CAXIAS DO SUL – 2017
Máquinas de Medir por Coordenadas
O que é uma máquina de medição por coordenadas?
A Máquina de Medição por Coordenadas (MMC) é um instrumento que realiza medições por meio de três eixos, que se transladam através de guias retilíneas e perpendiculares entre si. A MMC pode efetuar diferentes tipos de medições dimensionais, verificar desvios de tolerâncias geométricas e realizar medições de contorno e superfície.
As MMC possuem uma estrutura mecânica que representa fisicamente um sistema de coordenadas cartesiano. Elas são instrumentos metrológicos encarregados de atender as demandas apresentadas pela indústria moderna no que diz respeito ao controle dimensional e geométrico das peças. As MMC podem ser manuais ou controladas numericamente (CNC), apresentando os mesmos mecanismos de funcionamento, simplicidade de operação, flexibilidade e boa exatidão. Nas máquinas mais modernas são incluídos programas para compensar os erros próprios da máquina, tais como, os erros geométricos e os termicamente induzidos.
Imagem 01: Máquina de Medição Tridimensional, Horizontal
Elas permitem medir estruturas complexas e efetuar o controle simultâneo de diversas características metrológicas de uma peça substituindo grande parte da instrumentação convencional nos laboratórios de metrologia.
 
Imagem 02: Diferentes Máquinas de Medição Tridimensional, em tamanho e sentido
Histórico das MMC
A primeira MMC foi desenvolvida por um trabalhador suíço em 1930, e era utilizada para medir calibradores cônicos roscados. Devido ao seu alto custo de fabricação, apenas algumas unidades desta maquina foram fabricadas.
A primeira MMC de uso industrial foi desenvolvida por Ferranti, uma empresa britânica, em 1960. Era uma máquina revolucionaria com indicação digital, mais eficiente do que o sistema analógico convencional.
Em 1969, Ferranti e DEA (Itália), introduziram uma MMC integrada a um computador capaz de analisar tolerâncias. Em meados dos anos setenta, quando eram desenvolvidos computadores de grande capacidade, foi possível adicionar funções avançadas no sistema MMC, tais como alinhamento de planos, eixos e funções de tolerâncias geométricas.
O apalpador com sensor de contato foi um dos inventos mais significativos na história do desenvolvimento das MMC. A Rolls Royce patenteou o apalpador com sensor de contato em 1971. O dispositivo foi então desenvolvido e fabricado pela Renishaw (Inglaterra). Poucos anos depois, todos os principais fabricantes de MMC, com exceção da Zeiss (Alemanha) e DEA, estavam com este acessório em suas MMC.
 
Imagem 03: Alguns tipos e formatos de Apalpador com sensor de contato Renishaw.
Em 1973, a Zeiss desenvolveu um apalpador para suas MMC CNC, modelo UMM500, que era capaz de medir através de um traço continuo toda a superfície de contorno da peça. Desde então, ao longo dos anos foram desenvolvidos modelos que atendem as mais diversas necessidades de medição.
Princípios de Funcionamento de uma MMC
Estas máquinas determinam pontos coordenados (X, Y e Z) sobre a superfície de uma peça, a partir dos quais é definida a característica medida (diâmetro de círculo, diâmetro de esfera, distancia, angulo, desvio de forma, etc.…).
A máquina de medição por coordenada consiste de uma base de referência rigorosamente plana, sobre a qual desliza horizontalmente um corpo guiado no sentido Y. Esse corpo possui, por sua vez, outro corpo que desliza horizontalmente, e é perpendicular ao anterior, no sentido X. Finalmente, há um terceiro corpo que se movimenta verticalmente, e é perpendicular aos anteriores, no sentido Z. No lado externo inferior do eixo vertical Z é acoplado um sensor especial (mecânico, eletrônico ou óptico) que entrará em contato com a peça que será medida, movimentando-se de acordo com a capacidade da máquina.
O movimento de cada eixo é registrado por um sistema de leitura eletrônico mostrado digitalmente. Esse sistema de leitura oferece a possibilidade de zeragem em qualquer posição; introdução de cota pré-selecionada no indicador de qualquer eixo; e, geralmente, é possível o acoplamento de um sistema de processamento de dados. 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.
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. Esses 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. Uma solução rápida, precisa e confiável só é possível com o emprego de um computador/ calculadora para efetuar o processamento.
Possibilidades de Medição de uma MMC
Antes de iniciar uma medição e necessário decidir sobre vários aspectos, tais como: o número de pontos a apalpar e sua distribuição na superfície da peça; o tipo e tamanho do sensor utilizado; a velocidade e forca de medição; entre outros. Esse conjunto de decisões resulta na denominada “estratégia de medição”.
A definição da estratégia de medição está relacionada sempre ao interesse metrológico de aumentar a qualidade e quantidade de informação sobre a característica a medir, bem como, o tempo e dinheiro que podem ser razoavelmente investidos na medição. Dessa forma, o operador torna-se uma peça-chave na área de medição por coordenadas, pois, na maioria dos casos, e ele quem toma as decisões que podem afetar a rastreabilidade dos resultados de medição e sua compatibilidade com as especificações geométricas do produto. Decisões erradas no planejamento da medição podem resultar em erros que estão muito além dos erros intrínsecos do equipamento.
Dentre os diferentes tipos de medições efetuados em MMC tem-se: diâmetro de círculo, diâmetro de esfera, ângulo de cone, alturas, espessuras, profundidades, ressaltos, desvios de planeza, circularidade, cilindricidade, paralelismo, perpendicularidade, distancias ponto-ponto, ponto-reta, ponto– plano, entre centros de dois círculos, ângulos. 
As Maquinas de Medir por Coordenadas determinam qualquer medição a partir de pontos que definem a característica inspecionada, através de um programa computacional. Estes programas estão baseados nos princípios da geometria analítica vetorial. A quantidade mínima de pontos de medição está relacionada a geometria que se deseja medir.
O método matemático mais usado nos programas computacionais fornecidos pelos fabricantes dessas maquinas e o Método dos Mínimos Quadrados. Este e aplicado na função matemática definida pela característica geométrica da peça objeto de medição.
Preparação da MMC (Qualificação e Alinhamento)
Um procedimento de medição em uma MMC inicia-se com a definição do sistema de coordenadas de referência da máquina (0, 0, 0). Normalmente este sistema coincide com o zero de cada uma das três escalas de medição.
Qualificação: Este procedimento e realizadopara informar ao programa da máquina as características da ponta de medição que será utilizada na medição de uma determinada peca. Este procedimento chamado de qualificação baseia-se na medição de uma esfera padrão (o diâmetro da esfera serve de referência). A escolha da ponta de medição com suas características (comprimento da haste, diâmetro da esfera e posição (vertical, horizontal, a direita ou a esquerda) depende da característica da peça a ser medida.
Alinhamento: Este procedimento tem como objetivo a obtenção da dimensão procurada diretamente dos pontos medidos e não a partir de outras dimensões. Em princípio, e possível medir uma peça em qualquer posição e orientação dentro do volume de trabalho da MMC, mas as vezes não é possível calcular uma dimensão diretamente, com relação ao sistema de coordenadas da mesma, então são utilizados “sistemas de coordenadas na peca”. Estes sistemas são definidos com relação ao sistema da máquina e facilitam e agilizam as medições. E possível definir um ou mais sistemas na peça, dependendo das características a medir. Existem diferentes formas de fazer o alinhamento da peça, basta acessar no menu do programa da máquina o ícone referente a qualificação. Geralmente devem ser medidas três características (planos, retas, círculos, cilindros, etc.) onde as duas primeiras localizam a origem do sistema de coordenadas e a terceira define a direção do eixo principal. O eixo secundário e definido perpendicularmente ao eixo principal, no sentido anti-horário.
Pontas de Medição
A ponta de medição permite definir os pontos a serem medidos, podem ser classificadas em dois grupos: com contato, que definem os pontos através do contato físico da ponta com a superfície da peça (rígida e de gatilhamento) e sem contato que definem os pontos de medição sem contato físico (tipo laser e tipo sistema de visão).
As pontas com contato são as melhores e, portanto, muito usadas. Quando em contato com a peça liberam um sinal elétrico indicando as coordenadas do ponto de medição. Estas pontas podem ter várias hastes, possibilitando uma maior versatilidade do sistema de medição.
O sistema apalpador ou sonda de medição é utilizado para identificar as coordenadas dos pontos que definem as dimensões da geometria da peça durante as medições. Existem diferentes tipos de sondas: rígidas, óticas ou optoeletrônicas e as sondas por contato. Estas ultimas são as mais precisas e as mais usadas. Na pratica será usada uma sonda Renishaw das mais conhecidas.
Em geral, as sondas de contato não têm capacidade de medição, apenas liberam um sinal elétrico no momento do contato com a peça, indicando as coordenadas do ponto de medição. Estas sondas podem utilizar várias pontas ao mesmo tempo (até cinco), possibilitando uma maior versatilidade do sistema de medição.
Os sensores, ou apalpadores, são acoplados ao extremo inferior do eixo vertical (Z) e são de vital importância na determinação das coordenadas dos pontos, podendo operar com ou sem contato com a peça a medir. São de vários tipos, e sua seleção deve estar de acordo com a geometria, o tamanho e o grau de exatidão da peça.
Sensores Mecânicos ou Rígidos - São sensores rígidos, geralmente fabricados de aço temperado, com diversas formas geométricas em sua extremidade de contato, para permitir fácil acesso ao detalhe da peça que será verificada. Uma vez realizado o contato na peça, os sensores devem se manter fixos para se fazer a leitura no sistema de contagem digital. Os mais comuns são cônicos, cilíndricos, com esfera na ponta e tipo disco.
Sensores Eletrônicos ou Comutadores - São unidades de apalpamento, muito sensíveis, ligadas eletronicamente aos contadores digitais. Ao fazer contato com a peça que será medida, a ponta de medição, por efeito de uma pequena pressão, desloca-se angularmente e produz um sinal elétrico (e acústico) que congela a indicação digital, mostrando o valor da coordenada de posição do sensor. Através de uma calibração inicial do 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 corrigidos com aquele raio. Quando se utilizam sistemas de processamento de dados, esse sinal permite que o valor indicado no contador digital seja analisado pelo computador.
Sensores ópticos - Quando a peça ou um detalhe dela é muito pequeno, impossibilitando a utilização de sensores normais, o ponto de medição pode ser determinado com o auxílio de microscópio ou projetor de centrar, acoplado do mesmo modo que os outros sensores.
Quais as aplicações desse sistema na Industria Automobilística?
As aplicações são enormes para um segmento que ganha muito com produtividade. A aplicação do MMC fez com que a eficiência fosse multiplicada em muito no setor automotivo. Desde os fornecedores e peças individuais aos fornecedores de conjuntos montados, todos fazem uso, em algum momento, desse instrumento. A qualidade e a velocidade de medição, de conferencia e correção do produto final, foi em muito acelerada, representando grandes ganhos e versatilidade na produção. A eliminação de diversos instrumentos de medição e prol desse ágil sistema, faz do MMC imprescindível para Indústria automobilística, porque até mesmo depois de pronto, o produto final passa por conferências em tridimensionais enormes, conhecidas como “portais”.
Capaz de apontar erros de até 1 µm, comparar desenhos com peças ou produtos acabados, tornou-se muito mais fácil e prático. Muito mais rápido. Em mundo cada dia mais competitivo, ser rápido e eficiente é sem dúvida, lucrar mais. Nesse caso, verdadeiramente, tempo é dinheiro. Agora tempo e qualidade não é só mais dinheiro, é confiabilidade. E um veículo confiável é também mais lucro. 
Projetor de Perfil
O que é um projetor de perfil?
Os meios óticos de medição são instrumentos usados exclusivamente em laboratórios. Com o tempo, esses instrumentos conquistaram as oficinas com a finalidade de resolver os mais diversos problemas, sobretudo melhorando a qualidade dos produtos. Atualmente, os projetores trabalham ao lado das maquinas operatrizes, mas é comum encontra-los sobre essas maquinas. Isso serve para mostrar detalhes das peças durante a usinagem.
O projetor de perfil é um equipamento que usa meios óticos de medição. Este aparelho é próprio para medição linear ou angular onde o emprego de métodos mecânicos é impraticável (medição do ângulo de flanco de uma rosca, por exemplo). O projetor de perfil destina-se a verificação de peças pequenas, principalmente às de formato complexo. Ele permite projetar em sua tela de vidro a imagem ampliada da peça. Esta tela possui gravadas duas linhas perpendiculares, que podem ser utilizadas como referência nas medições.
 
Imagem 04: Exemplos de Projetores de Perfil
Princípios de Funcionamento de um Projetor de Perfil
O projetor possui uma mesa de coordenadas móvel com dois cabeçotes micrométricos, ou duas escalas lineares. 
Ao colocar a peça que ser medida sobre a mesa, obtemos na tela uma imagem ampliada, pois a mesa possui uma placa de vidro em sua área central que permite que a peça seja iluminada por baixo e por cima simultaneamente, projetando a imagem na tela do projetor.
O tamanho original da peça pode ser ampliado 5, 10, 20, 50 ou 100 vezes por a meio de lentes intercambiáveis, o que permite a verificação de detalhes da peça em vários tamanhos.
Imagem 05: Lentes de Ampliação
Em seguida, move-se a mesa até que uma das linhas de referência da tela tangencie o detalhe da peça e zera-se o cabeçote micrométrico (ou a escala linear). Move-se novamente a mesa até que a linha de referência da tela tangencie a outra lateral do detalhe verificado. O cabeçote micrométrico (ou a escala linear) indicará a medida.
Imagem 06: Tela utilizada para medidas Lineares
O projetor de perfil permite também a medição de ângulos, pois sua tela é rotativa e graduada de 1º a 360º em toda a sua volta. A leitura angular se faz emum nônio que permite resolução de 10’. (Nos projetores mais modernos a indicação é digital). O procedimento de medição é semelhante ao descrito para medidas lineares, com a diferença de que neste caso, o movimento relativo entre linha de referência e imagem da peça é angular e dado pela linha de referência e não pelo deslocamento da peça. O resultado da medição será a diferença entre duas leituras de ângulos.
 
Imagem 07: Tela utilizada para medidas Angulares. A direita, escala está nas bordas.
Outra maneira de verificação pode ser utilizando um desenho da peça feito em acetato transparente e fixado na tela do projetor.
Imagem 08: Desenho em acetato fixado na tela do projetor
Possibilidades de Medição de um Projetor de Perfil
As possibilidades de utilização do Projetor de perfil estão diretamente relacionadas com a forma de projeção de imagem utilizada. 
Sistemas de Projeção
Imagem 09: Da esquerda para a direita: Diascópica; Episcópica; Ambas.
Projeção diascópica (contorno)
Na projeção diascópica, a iluminação transpassa a peça que será examinada. Com isso, obtemos na tela uma silhueta escura, limitada pelo perfil que se deseja verificar.
Para que a imagem não fique distorcida, o projetor possui diante da lâmpada um dispositivo óptico chamado condensador. Esse dispositivo concentra o feixe de luz sob a peça. Os raios de luz, não detidos por ela, atravessam a objetiva amplificadora. Desviados por espelhos planos, passam, então, a iluminar a tela.
Imagem 10: Principais componentes do Projetor de Perfil
A projeção diascópica é empregada na medição de peças com contornos especiais, tais como pequenas engrenagens, ferramentas, roscas etc.
Projeção episcópica (superfície)
Nesse sistema, a iluminação se concentra na superfície da peça, cujos detalhes aparecem na tela. Eles se tornam ainda mais evidentes se o relevo for nítido e pouco acentuado. Esse sistema é utilizado na verificação de moedas, circuitos impressos, gravações, acabamentos superficiais etc.
Quando se trata de peças planas, devemos colocar a peça que será medida sobre uma mesa de vidro. As peças cilíndricas com furo central, por sua vez, devem ser fixadas entre pontas.
Medição de roscas
Podemos usar o projetor de perfil também para medir roscas. Para isso, basta fixar entre pontas e inclinar a rosca que se quer medir.
Imagem 11: Fixador entre pontas
Não devemos esquecer que uma das referências da tela deve ser alinhada com o perfil da rosca. O ângulo que ela faz com a direção 0º é lido na escala da tela e no nônio.
Imagem 12: Início da tirada de Ângulo
Para determinar o passo, basta deslocar a rosca por meio de um micrômetro. Isso deve ser feito de modo que a linha de referência coincida, primeiro, com o flanco de um filete e, depois, com o flanco do outro filete, os quais aparecem na tela.
Imagem 13: Esquema da Obtenção do Passo da Rosca
A medida do passo corresponde, portanto, à diferença das duas leituras do micrômetro.
Exemplo: leitura inicial: 5,000 mm
Após o segundo alinhamento: 6,995 mm
Passo = 6,995 - 5,000
Passo = 1,995 mm
Quais as aplicações desse sistema na Industria Automobilística?
Com a grande utilização de engrenagens e parafusos na produção moderna de veículos automotores, o uso de projetores de perfil para uma rápida e precisa verificação de cotas é sem dúvida, mais uma inovação tecnológica. Saído das salas de controles e qualidade, atualmente esse importante instrumento de medição encontra-se muitas vezes acoplado as máquinas ferramenta para um melhor e mais ágil controle da produção.
Sua adequada utilização traz uma melhor qualidade ao produto final, rapidez e precisão para a produção, itens essenciais no cada dia mais competitivo, mercado automobilístico.
BIBLIOGRAFIA
Páginas de internet todas acessadas e testadas em 06/11/2017, 00:59
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http://www.renishaw.com/cmmsupport/knowledgebase/en/tp200-users-guide--13591
Materiais em arquivos digitais, livremente baixados da internet, de posse do autor.
-Teoria para aulas práticas de Metrologia, 2011 - Laboratório de Metrologia Dimensional, FEMEC - Rosenda V. A., Cláudio C.S.;
-Programa de Capacitação-Atualização de Docentes do SENAI - Metal-Mecânica - Florianópolis, SC 2008;
- Metrologia parte II - 2002 - Dep. de Engenharia Mecânica - Laboratório de Metrologia, UFSC, Florianópolis - Prof. Marco A.M. Cavaco;
- Medição por Coordenadas em Tridimensional, Curso - Prof. Oséas Samuel Espíndola
- Metrologia - Apostila Prática - Graduação em Engenharia Mecânica - FESURV, Universidade de Rio Verde, 2005 - Prof. MSc. Vinícius Torres Lima;
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- Metrologia - Universidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia Depto. Engenharia Mecânica;
- Processo de Medição de Rugosidade de Superfícies e Utilização do Projetor de Perfil Universidade Metodista de Piracicaba – 2008;