Nesse tópico, as informações referentes às tecnologias empregadas para aquisição, condicionamento, transmissão e processamento dos sinais, utilizadas pelos dinamômetros investigados anteriormente, são abordadas. A tabela 1 sintetiza as principais características explanadas por estes estudos.
42 Tabela 1 – Principais características de condicionamento, aquisição, transmissão e
processamento dos sinais de carregamentos mecânicos
Autores Transdutor Modelo Condicionamen-to e Aquisição Transmissão de aquisição Frequência processamento Software de Shaw
(1983) Extensômetro Estacionário ND ND ND ND
Yaldiz et
al. (2007) Extensômetro Estacionário
Amplificador ADAM 3016 + Cartão de aquisição PCI 1712 ND ND Linguagem de programação em C Rossi (2008) Extensômetro Estacionário Sistema de Aquisição Spider8 (HBM) ND 600 Hz Catman (HBM) Lourenço (2018) Extensômetro Estacionário Chassi NI DAQ Assistant + Módulo NI 9237 Cabo J350 +
Cabo USB 2.0 1 kHz LabVIEW NI 2011
Ribeiro (2016) Extensômetro Estacionário Chassi NI DAQ Assistant + Módulo NI 9237 Cabo J350 +
Cabo USB 2.0 1 kHz LabVIEW NI 2011
Totis et al. (2014) Piezoelétrico Estacionário Amplificador Kistler 5073A311 + Chassi NI cDAQ-9178 + Módulo NI 9215 Cabos resistentes a fluidos lubrificantes (ND) + Cabos USB 2.0
25 kHz Math Works / Matlab
Rodrigues (2013) Extensômetro Estacionário ND ND ND ND Totis et al. (2010) Piezoelétrico Rotativo Sistema de telemetria composto por rotor
e estator (ND) + Filtro passa-baixa (3 kHz) Sistema de telemetria composto por rotor e estator (ND) + Filtro passa-baixa (3 kHz)
13 kHz Math Works / Matlab
Luo et al. (2018) Piezoelétrico Rotativo Pré-Amplificador (ND) + Filtro (ND) + ADC (16 bit) Sistema de telemetria (ND) 10 kHz ND Rizal et al.
(2014) Extensômetro Rotativo Módulo MT23-STG
Módulo de transmissão (MT32-IND-Tx- 45 MHz-2560k) + Módulo de recepção (MT32-DEC8) + Armazenador (DT9836) 5 kHz Matlab Liu et al. (2018) FBG Rotativo Interrogator de ComprImento de onda FBG (ND) Cabo de Rede (ND) ND ND Qin et al. (2017) Extensômetro Rotativo Sistema de aquisição de baixo custo (circuito impresso + arduino) Sistema de telemetria de baixo custo - arduino (transmissor + receptor) 5 kHz ND Lu, Xie e
Li (2017) Transdutor Capacitivo Rotativo
Sistema de aquisição baseado no STM32 Sistema de transmissão baseado no AR9331 5 kHz LabVIEW NI ND = Não Determinado
43 Com relação à aquisição e ao condicionamento do sinal, é interessante destacar a utilização de amplificadores e filtros físicos aplicados por Yaldiz et al. (2007), Totis et al. (2014), Rizal et al. (2014) e Luo et al. (2018). Nos três primeiros casos, equipamentos específicos para essa função, fabricados por empresas especializadas, foram utilizados. Para o quarto caso, um circuito impresso, integrando um pré-amplificador, um filtro e um dispositivo de conversão do sinal analógico para digital, foi aplicada. Entretanto, informações técnicas acerca do desenvolvimento deste circuito integrado não foram especificadas.
Com relação à transmissão, pode-se notar a utilização majoritária de cabos (J350 e USB) para os dispositivos estacionários e a utilização de sistemas de telemetria para os dispositivos rotativos. As características dos sistemas de telemetrias aplicados não foram aprofundadas.
A faixa da frequência de aquisição dos dispositivos baseados em transdutores extensométricos ficou entre 600 Hz e 5 kHz, enquanto a dos dispositivos piezoelétricos ficou entre 10 kHz e 25 kHz. Nota-se claramente o uso de maiores frequências de aquisição nos dispositivos piezoelétricos, dada as maiores larguras de banda destes transdutores.
Com relação ao processamento dos sinais, em maioria, os trabalhos apresentaram apenas o software em que os dados do sinal de força foram processados. Nesse sentido, é possível verificar a indisponibilidade de informações nas etapas de aquisição, condicionamento, transmissão e processamento de sinal, principalmente, quando não são utilizados equipamentos com soluções prontas e específicas.
Uma investigação generalista será apresentada com intuito de guiar o desenvolvimento de um sistema de aquisição, armazenamento, transmissão e processamento de dados. Nesse contexto, Nascimento (2014) desenvolveu uma plataforma baseada em extensômetros (marca KYOWA: modelos KFG-2-350-C1- 23 e KFG-2-120-C1-23) para avaliação de três componentes de força aplicada por um ciclista na pedivela durante a pedalada. Nesse estudo, para o circuito de alimentação, esquematizado e indicado na figura 29, foram utilizadas duas bateria de 9 V e 400mAh, ligadas em paralelo, para fornecer a tensão elétrica negativa, e um conjunto de 8 baterias AA, cada um com 1,2 V e 2300mAh, ligadas em série, totalizando 9,6 V para alimentação de tensão elétrica positiva. Essas baterias permitem alimentar os circuitos integrados e o sistema de aquisição e transmissão
44 de dados. Dois capacitores de 100 nF (em paralelo com as baterias) foram utilizados com objetivo atenuar possíveis ruídos provenientes da alimentação.
Figura 29 - Circuito de condicionamento para o canal 1
Adaptado de Nascimento (2014)
O circuito de tensão elétrica de referência, indicado e esquematizado na figura 29, foi desenvolvido com a finalidade de manter a tensão de alimentação mais constante e estável. Para isso, utilizou-se um circuito integrado de referência de tensão elétrica da Analog Devices (modelo REF02) com precisão de 5,0 V ± 0,3% aplicado na alimentação dos canais 1 e 2. Com o intuito de proporcionar um ganho de corrente, um amplificador operacional de precisão (funcionando como um comparador modelo OP07C, fabricado pela Texas Instruments) foi conectado a um transistor (modelo BC246 fabricado pela NPN) que fornece uma faixa de ganho estático de corrente (hFe) entre 110 – 800 (Nascimento, 2014). O ajuste de zero foi realizado utilizando-se de um trimpot e um resistor, conectado ao circuito de Ponte de Wheatstone.
45 Para amplificação desse sinal, um sistema composto por dois estágios foi desenvolvido com objetivo de dar maior robustez a esta etapa. Nesse sentido, um amplificador de instrumentação (modelo INA126P da Texas Instruments), associado a uma resistência de 825 Ω forneceu um ganho de 102 V/V no primeiro estágio. No segundo estágio, um amplificador de precisão (modelo OP07C da Texas Instruments) proporcionou um ganho de 2,80 V/V, totalizando um ganho geral de 286 V/V.
Com objetivo de eliminar ruídos provenientes de altas frequências, um filtro anti-aliasing projetado no software FilterPro versão 3.1 da Texas Instrument foi implementado. O circuito composto é indicado na figura 29. Este filtro possui características de passa-baixa com frequência de corte de 24 Hz. Além disso, um circuito somador foi desenvolvido, tendo em vista que nesse projeto o sinal possui uma amplitude máxima de -2,5 V e 2,5 V, a normalização desses valores para 0 V e 5 V, permitiu a utilização do conversor analógico-digital.
Em paralelo ao desenvolvimento do trabalho de Nascimento (2014), Milani (2014) projetou o sistema de aquisição, armazenamento e transmissão sem fio (via bluetooth) dos dados gerados pela instrumentação da pedivela e condicionados conforme mencionado anteriormente. Esse sistema é formado basicamente por quatro equipamentos: uma placa de prototipagem integrando um microcontrolador Arduino MEGA 2560, um módulo marca Sparkfun (modelo Openlog), um módulo bluetooth marca Sparkfun modelo BlueSMIRF Gold e um cartão micro SD. O uso desse datalogger é para permitir o acesso às informações de força aplicada, mesmo em condições em que o sistema bluetooth funcione adequadamente. A figura 30 ilustra o esquema descrito.
46 Figura 30 - Esquema do sistema de aquisição e transmissão de dados da pedivela
Fonte: Adaptado de Milani (2014)
O processamento dos dados foi realizado por meio do software Matlab. Rotinas que coordenam a aquisição dos sinais da plataforma de força e, em seguida, possibilitam a visualização destes em uma interface gráfica, foram implementadas. A figura 31 mostra os fluxogramas que esquematizam esses procedimentos. A frequência de recebimento pode ser selecionada, desde que seja a mesma que a de envio do microcontrolador utilizado.
47 Figura 31 - Fluxograma dos dados em processo. a) Rotina de aquisição, armazenamento e transmissão via bluetooth dos dados. b) Rotina de recebimento e análises dos dados enviados.
Fonte: : Adaptado de Milani (2014)
Apesar deste trabalho contribuir fortemente com o condicionamento do sinal de força proveniente de transdutores extensométricos, o processamento desses dados não pode ser extrapolado para situação de carregamento mecânicos no processo de fresamento, tendo em vista que nesse tipo de usinagem o
48 comportamento da força não é constante e, em algumas circunstâncias, os picos cíclicos podem não ser periódicos.
Nesse sentido, Ribeiro et al. (2017) desenvolveu uma rotina de análise de força, embasada no método de detecção de picos proposto por Liu (2009). Os sinais das componentes de força de usinagem no fresamento frontal do aço AISI 4340 foram aquisitados e processados utilizando-se o software LabVIEW e o hardware National Instruments associados a um dinamômetro extensométrico estacionário triaxial. O hardware permitiu a utilização de uma ponte de Wheatstone digital com tensão de alimentação de 10 V. Nesse trabalho, foram desenvolvidos dois programas: um para aquisição do sinal, com frequência de aquisição de 1 kHz, e outro para o processamento dos dados de força. O último era capaz de realizar tarefas como: a leitura de arquivos nos formatos TDMS ou TXT, a apresentação dos dados de cada eixo de medição em gráficos separados; e uma análise local e global das componentes da força de usinagem em termos de seus valores de picos e/ou vales (identificação de máximos e mínimos locais). Além do mais, o programa de processamento desenvolvido possibilitou uma análise estatística com média e desvio padrão da amostra de picos e/ou vales identificados e o cálculo do módulo da força de usinagem do trecho selecionado do sinal.
Andrade (2014) e Trindade (2018) também utilizaram a metodologia de picos e/ou vales para avaliação força de usinagem, baseada no programa desenvolvido por Ribeiro et al. (2017). O primeiro avaliou a força de usinagem com o objetivo de investigar o desempenho de diferentes materiais de ferramentas de corte no fresamento de roscas com a técnica de interpolação helicoidal; o segundo analizou a viabilidade de estratégias trocoidais para o fresamento de canais em aço AISI 4340 temperado e revenido. Um dos resultados do processamento dos sinais para análise de estratégia trocoidal circular (𝑣𝑐 = 150 m/min, 𝑓𝑧 = 0,1 mm, 𝑎𝑝 = 5 mm, ω = 0,5 mm e β = 10°) de força de usinagem avaliado por Trindade (2018) é mostrado na figura 32. Nessa figura é possível notar a aplicação da metodologia descrita no parágrafo anterior. Nos estudos de Andrade (2014) e Trindade (2018) , pode-se afirmar que o processamento de sinais de força, oriundos de dinamômetros comerciais (Kistler 9257BA), teve como base a seleção de um trecho de interesse do sinal bruto (não filtrado) e a respectiva análise local de picos e/ou vales, sendo essa investigação essencial para realização de estudos comparativos entre as estratégias e as ferramentas de usinagem avaliadas.
49 Figura 32 – Análise de força de usinagem para trajetória circular com identificação de picos
Fonte: Trindade (2018)
No contexto de dinamometria para usinagem, o processamento adequado dos sinais de carregamentos mecânicos é um forte aliado para a realização de análises aprofundadas, principalmente, de caráter comparativo estatístico sobre os dados de força e/ou torque gerados pelos dispositivos. Contudo, sistemas comerciais que permitem realizar o monitoramento dos dados de carregamento mecânico limitam as metodologias de processamento utilizadas. Nesse sentido, o desenvolvimento de um sistemas de processamento costumizado permite uma maior flexibilidade no tratamento dos parâmetros monitorados. Porém, a revisão de literatura realizada nesse assunto sugere uma deficiência de informações claras sobre os procedimentos utilizados para o processamento dos dados de carregamentos mecânicos na usinagem. Uma fonte para essa informação, é encontrada com clareza apenas no trabalho desenvolvido por Ribeiro et al. (2017).
Por fim, tendo finalizada a etapa de fundamentação teórica, o próximo capítulo aborda informações referentes aos materiais e métodos utilizados nesse projeto de desenvolvimento de um dinamômetro extensométrico híbrido aplicado ao 4° eixo de um centro de usinagem.
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3. MATERIAIS E MÉTODOS
Este capítulo descreve os procedimentos, materiais e equipamentos utilizados nas etapas do desenvolvimento do dinamômetro extensométrico híbrido aplicado ao 4° eixo de um centro de usinagem. Um fluxograma esquemático, descrevendo os estágios do trabalho, é apresentado na figura 33.
Figura 33 – Fluxograma de execução da pesquisa
Fonte: Elaborado pela autora
Na etapa de projeto preliminar e modelagem geométrica, os requisitos fundamentais que melhor correlacionam as características do dinamômetro às condições de operação foram definidos. Tais requisitos permitiram tanto a realização adequada de escolhas de geometria e de materiais do dinamômetro, quanto a realização adequada dos desenhos dos componentes mecânicos. Na etapa de análises de tensões e deformações, os métodos e as considerações para a realização das simulações numéricas do dispositivo foram abordados, fundamentando, dessa maneira, a escolha do transdutor. Na etapa de manufatura, os equipamentos e os procedimentos utilizados desde a preparação do material a ser usinado até a realização das análises dimensionais do sistema mecânico são descritos, passando pelo processo de planejamento de usinagem em um módulo de CAM e pelo processo de fabricação dos componentes do dinamômetro. Na etapa de instrumentação, foi detalhada a metodologia adotada para o
51 posicionamento, a colagem e a soldagem dos terminais do transdutor, determinando os materiais e os equipamentos necessários para execução desse procedimento. A montagem do dinamômetro foi realizada após essa etapa. Na etapa de aquisição, transmissão e processamento dos dados, foram apresentados os componentes, materiais e equipamentos utilizados para o desenvolvimento de um sistema de amplificação, condicionamento, aquisição, transmissão e processamento dos dados de carregamentos mecânicos. Na etapa de calibração, foram descritos os métodos adotados para realização da caracterização do transdutor, para tal processo foram determinadas as rotinas aplicadas e os equipamentos que foram utilizados para calibração de força axial (NBR ISO 376, 2012) e de torque (NBR 12240, 2013). Por fim, na etapa de análise de frequência natural, foram especificados os equipamentos e os métodos utilizados para análise modal do dinamômetro.