Maquina medir coordenadas

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Capítulo 9Capítulo 9
MÁQUINAS DE MEDIR POR COORDENADASMÁQUINAS DE MEDIR POR COORDENADAS
9.1 IMPORTÂNCIA9.1 IMPORTÂNCIA
Ao longo de alguns anos ocorreu intensivo desenvolvimento tecnológico nos
processos de usinagem das peças, destacando-se o surgimento dos centros de usinagem
com comando numérico. Paralelamente, refinaram-se as exigências quanto à
conformidade geométrica dos componentes de sistemas mecânicos resultando em
especificações mais severas de projeto, de modo a garantir um elevado desempenho
funcional dos mesmos. Pelo não desenvolvimento da tecnologia de medição no mesmo
ritmo, criou-se uma defasagem tecnológica a tal ponto, que o controle de certas peças
tornava-se extremamente difícil e economicamente inviável.
A aplicação racional da tecnologia de medição por coordenadas tornou-se viável
com o desenvolvimento dos computadores que passaram a ter:
- enormes potencialidades matemáticas;
- flexibilidade de comunicação e conexão com um processo;
- resistência a ambientes industriais;
- pequeno porte e baixo custo.
Através de uma máquina de medir por coordenadas (figura 9.1) determina-se, de
forma universal, com um mínimo de dispositivos e instrumentos específicos, as
coordenadas de certos pontos sobre a peças a controlar. Tais pontos convenientemente
processados pelo computador associado, resultam os parâmetros geométricos da peça.
O desenvolvimento das máquinas de medir por coordenadas (MMC) foi
favorecido ainda pela evolução dos sistemas de medição de deslocamento eletrônicos,
que permitem elevar a sua qualidade e viabilizaram a sua integração com sistemas
automatizados de fabricação. As MMC's têm em comum com tais sistemas a característica
de grande flexibilidade.
9.2 MEDIÇÃO POR COORDENADAS9.2 MEDIÇÃO POR COORDENADAS
Com base nos sistemas de medição de deslocamento das máquinas de medir por
coordenadas, é possível conhecer a posição que um elemento localizador ocupa dentro
do espaço de trabalho da máquina (figura 9.2). Este localizador, operando por princípios
eletro-mecânico e articulado, é chamado de apalpador. Esclarecendo de modo grosseiro,
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ele relaciona o ponto de contato do seu sensor com a peça a um ponto de referência
conhecido dentro do sistema coordenado.
Figura 9.1: Máquina de medir coordenadas (tridimensional).Figura 9.1: Máquina de medir coordenadas (tridimensional).
A determinação das coordenadas dos pontos sobre a peça serve de base
para a determinação dos parâmetros de elementos geométricos (dimensão, forma e
posição) como por exemplo a distância entre superfícies, o diâmetro e a posição de um
círculo, e outros.
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. Nos dois casos, uma
solução rápida, precisa e confiável só é possível com o emprego de um computador/
calculadora para efetuar o processamento.
A figura 9.3 mostra recursos básicos de processamento geométrico usualmente
encontrados em sistemas computadorizados. Esta figura mostra também que os cálculos,
em geral, não se baseiam exatamente nos pontos de contato do sensor com a peça, 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.
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Figura 9.2: Medição de coordenadas: exemplo de medição.Figura 9.2: Medição de coordenadas: exemplo de medição.
Figura 9.3: Determinação de elementos geométricos por coordenada.Figura 9.3: Determinação de elementos geométricos por coordenada.
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Figura 9.4: Formas construtivas de máquinas de medir por coordenada.Figura 9.4: Formas construtivas de máquinas de medir por coordenada.
9.3 CONFIGURAÇÕES MECÂNICAS9.3 CONFIGURAÇÕES MECÂNICAS
Os cálculos de comprimentos, distâncias entre eixos, diâmetros, ângulos, desvios
de planicidade e todos os outros parâmetros geométricos, são feitos a partir das
coordenadas de pontos medidos em relação a um sistema coordenado definido pela
máquina de medir. Para constituir uma máquina universal de medir, é suficiente capacitá-
la a operarem três coordenadas lineares ortogonais. No entanto, a eficiência é
aumentada significativamente, se houver à disposição o recurso do movimento angular
em um dos planos coordenados, especialmente tratando-se de peças simétricas de
rotação, como engrenagens, discos de cames, etc. (figura 9.2). A figura 9.4 mostra
algumas formas construtivas de máquinas de medir. A forma construtiva esta muito
relacionada com o volume de medição, com a área de acesso para a peça, com a
incerteza de medição e algumas vezes com a própria tecnologia acumulada por um
certo fabricante.
 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.
9.4 APALPADORES9.4 APALPADORES
 O localizador também é de vital importância na determinação das coordenadas
dos pontos, podendo operar com ou sem contato com a peça a medir (figura 9.5). Os
sem contato são posicionados manualmente e identificam o ponto com base num sistema
óptico de projetor de perfil ou microscópio com cruz reticulada, não sendo próprios para
aplicações universais e automatizadas (figura 9.5b). Tais sistemas ópticos têm sido
substituídos por câmeras digitais e processamento computadorizado de imagens.
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Figura 9.5: Figura 9.5: Localizadores.Localizadores.
Figura 9.6: Figura 9.6: Apalpadores laser para máquinas de medir por coordenadas.Apalpadores laser para máquinas de medir por coordenadas.
A figura 9.6 mostra localizadores ópticos mais modernos, baseados em um feixe
laser e método de medição por triangulação.
Associados a dispositivos articulados de posicionamento, estes localizadores
permitem medir, sem contato, superfícies com forma irregular.
Os localizadores com contato podem ser rígidos, apresentando diferentes
configurações do sensor (figura 9.5a), em função da característica do ponto a ser
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localizado na peça, ou pode ser articulado (figura 9.5c), sendo a localização do ponto de
medida relacionada à geração de um sinal elétrico.
Figura 9.7: Configurações mecânicas de Figura 9.7: Configurações mecânicas de apalpadores.apalpadores.
Há dois tipos básicos de apalpadores:
- Apalpador medidor - fornece um sinal proporcional ao deslocamento do sensor
após o contato com a peça (figura 9.7); este sinal pode ser usado para o controle de
posicionamento (figura 9.8), para o disparo da leitura ou para obter o valor do
deslocamento,
que adicionado aos valores medidos nas escalas, resulta nas coordenadas do ponto de
medição.
- Apalpador comutador - fornece um sinal de comutação ( liga/desliga ) após um
deslocamento pré-definido do sensor (figura 9.9).
Através de uma calibração inicial do apalpador, com determinado 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 corrigidas com
aquele raio.
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Figura 9.8: Máquina de medir coordenadas (tridimensional).Figura 9.8: Máquinade medir coordenadas (tridimensional).
Figura 9.9: Figura 9.9: Apalpadores 3D-Comutador (erros do ponto de referência).Apalpadores 3D-Comutador (erros do ponto de referência).
Os métodos para obtenção das coordenadas de um ponto no instante de medição são os
seguintes:
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- Método diferencial, que consiste na associação dos valores indicados por um
apalpador medidor com os valores coordenados das escalas da máquina após o contato
com a peça;
- Método absoluto, onde as coordenadas da máquina são adquiridas no instante da
emissão do sinal de comutação de um apalpador comutador ou em uma condição pré-
definida de deflexão de um apalpador medidor.
Observa-se que as medições feitas pelo método diferencial são estáticas, ao passo
que com o método absoluto elas são dinâmicas.
As máquinas de melhor qualidade operam com o apalpador medidor, sendo
adequadas a trabalhos em laboratórios. De outro modo, aquelas que operam com o
apalpador comutador são mais rápidas e se adequam ao controle geométrico com
menores requisitos de precisão, como no controle de qualidade próximo à produção.
9.5 ERROS DE MEDIÇÃO9.5 ERROS DE MEDIÇÃO
 A qualidade dos resultados de uma MMC é função, em primeiro plano, dos erros
de medição das coordenadas. Portanto, para alcançar bons resultados deve-se garantir
que a máquina tenha movimentos relativos geometricamente bem definidos, com
mínimos erros de retilineidade, ortogonalidade, planicidade, etc (mínima distorção do
sistema coordenado em relação ao ideal). Isto implica em uma estrutura bastante rígida,
de precisão e estável. As fontes de erro em uma máquina de medir coordenadas são
muitas e estão indicadas no quadro na figura 9.10.
O elemento mais crítico do sistema é o localizador, no caso, o apalpador. Segue-
se a estrutura da máquina de medir, que estabelece os movimentos, afetando-os de erros,
isto é, com desvios de retilineidade, ortogonalidade, posicionamento, etc.
Diversos ensaios são necessários para avaliar a incerteza de medição da MMC,
destacando-se aqueles que verificam os erros dos movimentos no espaço e que verificam
o comportamento metrológico do apalpador.
A normalização destes ensaios ainda é objeto de intensos estudos nos países
desenvolvidos. Entre normas e recomendações disponíveis, cita-se:
- ISO 10.360 - Coordinate Metrology - Part 2: Performance Assessment of Coordinate
Measuring Machines (CMMês), 1993
- VDI/VDE 2617 - Accuracy of Coordinate Measuring Machines, Characteristics
and their Checking - April, 1986:
. Part 1 - Generalities
. Part 2 -Uncertainty of measurement specific to the measuring task; length
measurement uncertainty
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. Part 3 - Components of measurement diviation
. Batt 5 - Ueberwachung von Koordinatenmessgeraeten duch Pruefkoerper.
- “CCMMA” Genauigkeitsspezifikation fuer Koordinaten Messgeraete - Divulgação
da CMMA - Coordinate Measuring Machine
 Manufacturers Association, 1982.
- ANSI/ASME B89.1.12M/1985 - Methods for Perfamance Evoluation of
Coordinate Measuring Machines;
Figura 9.10: Fontes de erros em uma máquina de medir coordenadas.Figura 9.10: Fontes de erros em uma máquina de medir coordenadas.
Ao final deste capítulo estão anexados alguns resultados de um ensaio geométrico
realizado em um máquina de medir por coordenadas de porte médio.
 Uma MMC destinada a serviços de laboratórios metrológicos, com um espaço de
trabalho de 500 x 500 x 500 mm, com escalas eletro-ópticas operando com uma
resolução de 0,1 mm apresenta uma incerteza de medição igual ± (0,5 + L/900) mm. Este
elevado desempenho metrológico é atingido sob condições climáticas controladas,
compensação de erros sistemáticos por software e compensação da dilatação térmica da
peça e das escalas da máquina.
Outros modelos de MMC, destinados propriamente ao controle industrial
apresentam incertezas de medição na faixa de ± 5 a ± 20 µm para comprimentos de
trabalho da ordem de 1 m.
A compensação de erros sistemáticos é realizada pelo computador, a partir dos
resultados de ensaios geométricos realizados pelo fabricante. Um algoritmo próprio
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simula a associação de todas as componentes de erros, determinando o erro que a
máquina comete em cada ponto.
9.6 NÍVEIS DE AUTOMAÇÃO9.6 NÍVEIS DE AUTOMAÇÃO
Figura 9.11: Máquina de medir coordenadas não automatizada.Figura 9.11: Máquina de medir coordenadas não automatizada.
Algumas configurações de máquinas de medir por coordenadas são apresentadas
a seguir conforme o seu nível de automatização.
a) MMC com acionamento manual. Correspondem às máquinas mais simples com
movimentação manual, leitura e cálculos realizados pelo próprio operador (figura 9.11).
Atualmente é uma configuração apenas didática, pois na prática não se pode mais
admitir uma MMC sem computador.
b) MMC com acionamento manual e com computador. A associação do computador
permite realizar trabalhos de medição complexos, com rapidez e confiabilidade. O uso
da impressora permite a documentação dos resultados, com os pontos determinados,
características de elementos geométricos, parecer quanto a testes de tolerâncias, etc.
(figura 16.1).
c) MMC com Comando Numérico (CNC) e computador (figura 9.8). Com este
sistema dispõe-se da capacidade de programar a medição de uma peça, que desenrolar-
se automaticamente. O programa é armazenado no computador, que transfere os
comandos específicos ao CNC.
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 A figura 9.12 mostra o resultado apresentado na medição dos flancos dos dentes de
uma engrenagem, de modo totalmente automático. Como resultado obtém-se um gráfico
com a representação dos erros dos flancos em relação à geométrica ideal pré-definida.
O programa de medição de uma peça pode ser gerado por um computador de maior
porte, dotado de um software que elabora a estratégia de medição a partir da geometria
nominal da peça. Mais usual entretanto é a técnica de programação por aprendizado. A
medição da primeira peça
(ou padrão) é realizada semi-automaticamente por um operador especializado que define
os pontos de medição, estabelece a seqüência de medição, o percurso do apalpador e
informa os valores nominais da geometria e a respectiva tolerância. Nesta primeira fase,
o computador permanece no modo “aprendizado”, onde vai armazenando
seqüencialmente todas as informações de operação. Para as demais peças, o
computador é colocado no modo “medição”, repete todo o ciclo, efetuando o controle,
o processamento e a documentação
pré-estabelecidos;
Figura 9.12: Exemplo de relatório gráfico resultante da medição de coordenadas.Figura 9.12: Exemplo de relatório gráfico resultante da medição de coordenadas.
d) MMC integrada a sistemas de fabricação. Uma MMC (figura 9.13) ou um centro
de medição (figura 9.14), controlados por CNC, permite um controle geométrico de
peças com grande velocidade e flexibilidade na alteração de programas de medição.
dispõe-se de recursos como troca automática de sensores (figura 9.13) ou apalpadores
(figura 9.14), bem como alimentação por palets ou robôs (figura 9.18).
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Figura 9.13: Máquina de medir por coordenadas com proteção contra o ambiente e trocaFigura 9.13: Máquina de medir por coordenadas com proteção contra o ambiente e troca
automática de sensores.automática de sensores.
Figura 9.14: Centro de medição com dois cabeçotes de medição e troca automática deFigura 9.14: Centro de medição com dois cabeçotes de medição e troca automática de
sensores.sensores.
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Figura 9.15: Máquina de medir por coordenadas (1).Figura 9.15: Máquina de medir por coordenadas (1).
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Figura 9.16: Software de controle manual com capacidades 3D.Figura 9.16: Software de controle manual com capacidades 3D.
9.7 ASPECTOS ECONÔMICOS9.7 ASPECTOS ECONÔMICOS
O custo de uma MMC ainda é bastante alto. Nos países desenvolvidos, onde a
mão de obra tem um custo muito elevado, a medição de uma peça com certo grau de
complexidadejá é significativamente mais econômica com uma MMC do que aplicando
a instrumentação clássica. Na avaliação comparativa dos custos, devem ser considerados
aspectos como: custo do investimento, depreciação, custo da área de trabalho, facilidade
para preparação da medição (programas), tempo de medição, tempo de processamento,
manutenção dos sistemas e assistência pós-venda, tamanho dos lotes, capacidade de
comunicação com outros sistemas computacionais (troca de dados), etc.
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Não são computados no estudo econômico as vantagens para o sistema produtivo
advindos de um tempo de controle bastante reduzido, especialmente, quando se trata de
verificação de peças ponta de série, com a finalidade de checar a regulagem das
máquinas. Outro aspecto favorável, difícil de traduzir financeiramente, é a possibilidade
de solucionar problemas metrológicos de difícil solução com os recursos clássicos.
Figura 9.17: Máquina de medir por coordenadas (2).Figura 9.17: Máquina de medir por coordenadas (2).
Figura 9.18: Centro de medição com alimentação de peças por robô.Figura 9.18: Centro de medição com alimentação de peças por robô.
A implantação de um sistema de medição por coordenadas exige um estudo
técnico-econômico aprofundado e uma adaptação conveniente do sistema de controle de
qualidade (especificações em desenhos, por exemplo).
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No intuito de racionalizar a produção e de garantir a qualidade dos produtos,
existe a necessidade de se identificar os erros geométricos das peças o mais cedo
possível, o que exige um alto grau de automatização e flexibilidade dos sistemas de
medição e controle. A atuação do computador será gradativamente mais ampla,
aumentando ainda mais a potencialidade da tecnologia de medição por coordenadas.