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 matemáticomais 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 realizado para 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 escalaslineares. 
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 em um 
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 
http://www.rrmp.eu/quametro.php 
http://www.larjac.com.br/maquina-medicao-tridimensional-coordenadas 
http://www.directindustry.com/prod/mitutoyo/product-4906-601518.html 
http://www.directindustry.com/pt/prod/mitutoyo/product-4906-601490.html 
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http://www.motospec.ca/measurement.html 
http://koepferamerica.com/gear-machine-tools/gear-support-machine-tools/wenzel-
wgt-400-600-gear-measuring-machine/ 
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24053.html#product-item_24051 
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; 
- Praticas de Metrologia Industrial, Apostila - Metroscópio Horizontal - CEETEPS, 
Faculdade de Tecnologia de Sorocaba - LABMETRO, Lab. de Metrologia - Prof. Samuel M. 
F., Osni P.L., Luiz A.B.; 
- 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;