Diagnóstico da mesa do porta-ferramentas

De acordo com o exposto na fundamentação teórica, serão realizados vários ensaios visando verificar as características de movimentação da mesa do porta- ferramenta. Estes ensaios estão descritos nos sub-itens a seguir e têm a finalidade de verificar a influência da mesa do porta-ferramentas no processo de usinagem.

Capítulo 5 Procedimento Experimental 103

5.2.1 Influência do tipo do motor na suavidade de movimentação

Será testado outro tipo de motor para acionamento da mesa no Eixo X, visando verificar a influência deste na suavidade de movimentação. Para a execução desta tarefa será adotado o método de análise de vibrações, descrito em 5.1. O atual motor de passo será substituído por um servomotor CC com escovas e medições serão feitas antes e depois. O motor CC com escovas utilizado é de fabricação da empresa Robbins Myers (ver ANEXO B).

Alguns passos que podem ser utilizados no dimensionamento do motor estão descritos no ANEXO A.

Após a troca do motor de passo pelo motor CC com escovas serão executados os ensaios descritos em 5.1 e a comparação das vibrações pode ser feita, antes e após a troca do acionamento. Assim, é possível verificar a influência deste parâmetro nas vibrações inseridas no processo.

Equipamentos a serem utilizados:

- Atual motor de passo (ver ANEXO B);

- Motor CC com escovas a ímãs permanentes (ver ANEXO B); - Acelerômetro 1;

- Acelerômetro 2;

- Dois condicionadores de sinal para acelerômetros; - Sistema de aquisição de dados;

- Programa feito para Labview com esta finalidade (Programa 1 do ANEXO D).

5.2.2 Determinação das características de carga mecânica da mesa do porta- ferramentas

Nesta análise serão investigadas as características de acionamento da carga da mesa. Através do uso de um motor CC com constante de torque conhecida, pode-se determinar o torque exigido pela carga para sua movimentação. Este ensaio utiliza um método muito semelhante à dos ensaios utilizados na Determinação da Curva de Atrito das Guias, que é o próximo sub-item, e está melhor descrito a seguir, no sub-item 5.2.3. É importante ressaltar que este ensaio pode ser utilizado também em outras aplicações, como, por exemplo, para dimensionamento do motor a ser utilizado.

Capítulo 5 Procedimento Experimental 104 Equipamentos a serem utilizados:

- Motor CC com escovas a ímas permanentes; - Transdutor de efeito Hall (ver ANEXO B); - Tacogerador;

- Sistema de aquisição de dados;

- Programa feito para Labview com esta finalidade (Programa 2 do ANEXO C).

5.2.3 Determinação da curva de atrito das guias

Esta parte do trabalho tem como objetivo determinar as características tribológicas das guias de escorregamento utilizadas na máquina-ferramenta. Para tanto serão utilizadas técnicas para monitoramento da velocidade de deslocamento da mesa e do torque desenvolvido pelo acionamento. As informações obtidas permitirão a construção do mapa estático do atrito, que descreverá as características tribológicas das guias utilizadas como objeto de estudo.

Para avaliar a característica de atrito da mesa do porta-ferramenta, composto pelas guias prismáticas de escorregamento com lubrificação e pelo fuso trapezoidal, será realizado o ensaio encontrado em Martin (19--), de determinação da curva característica de atrito das guias. Conforme Martin (19--), este ensaio prevê o aparecimento do stick-slip (adere-desliza). A partir da corrente de armadura e da constante de torque do motor determina-se o torque para diferentes velocidades, utilizando a maior gama de velocidades possível, em ambos os sentidos e em posições diferentes da mesa.

A Figura 5.14 apresenta um croqui da mesa do porta-ferramenta com seus principais componentes. O acionamento até hoje é feito por um motor de passo, mas nos ensaios será usado um motor CC para possibilitar a avaliação do torque no acionamento a partir da medição da corrente de armadura do motor. Este motor CC será acoplado a uma redução especialmente fabricada para este ensaio, onde será criado um estágio de redução adicional, de 3,75 para 1. Esta redução, por sua vez, será acoplada ao sistema de redução original do torno, do tipo parafuso sem fim/engrenagem, com relação de 25:1. Esta solução será adotada para melhorar a movimentação em baixas velocidades (menores que 10 mm/min). As reduções combinadas estão montadas na extremidade do fuso trapezoidal, responsável pela

Capítulo 5 Procedimento Experimental 105 conversão do movimento rotativo do motor em movimento translativo da mesa montada sobre as guias.

Figura 5.14 – Croqui da mesa do porta-ferramenta

A determinação das curvas torque de atrito em função da velocidade requer a aquisição de dois parâmetros básicos: a velocidade de deslocamento da mesa sobre as guias e o torque exercido pelo acionamento.

Os dados referentes à velocidade da mesa serão obtidos de duas maneiras distintas, uma por meio de um tacogerador acoplado ao eixo motor, outra pela diferenciação no tempo dos sinais de posição fornecidos pelo sistema de medição digital, neste caso uma escala óptica-eletrônica.

O tacogerador fornece um sinal em tensão proporcional à freqüência rotacional do eixo do motor (TRIETLEY, 1986). Essa proporcionalidade entre a tensão de saída e a rotação de entrada é regida por uma característica de resposta conhecida como constante do tacogerador, que será determinada experimentalmente. A constante do tacogerador será obtida através do acoplamento do eixo do tacogerador com o eixo de um motor CC em funcionamento a vazio (sem carga), com possibilidade de controle da rotação. Variando-se a rotação no motor, medida com um tacômetro, e relacionando com a tensão de saída no tacogerador, medida em um multímetro, obteve-se a função transferência, em volts por rpm, que é de 3 volts para cada mil revoluções por minuto. Assim, conhecendo a freqüência rotacional do motor e utilizando a relação de redução entre o acionamento e o conversor de movimento (fuso), é possível calcular a velocidade de deslocamento retilíneo das guias da mesa.

Os tacogeradores apresentam a enorme facilidade de poder ser utilizados diretamente, sem a necessidade de condicionamento do sinal. Estes transdutores

Capítulo 5 Procedimento Experimental 106 apresentam saída em nível suficientemente alto de tensão, o que minimiza problemas com ruídos. Porém, apresentam indesejáveis não-linearidades em velocidades próximas a zero e “achatamento” de tensão em altas velocidades. Os tacogeradores têm a desvantagem de possuir escovas e comutadores, que apresentam desgaste e necessitam de manutenção. Além disto eles são relativamente volumosos, e por serem solidários ao eixo cuja velocidade é medida, utilizam uma parcela da potência gasta pelo sistema, problema que é potencializado em sistemas pequenos e de baixa potência (TRIETLEY, 1986)

O programa para aquisição em Labview® utilizando o tacogerador é bastante simples e resume-se basicamente ao bloco de aquisição, filtro passa-baixa IIR Butterworth para supressão das altas-freqüências, e multiplicadores para ajuste das constantes.

A aquisição é controlada por um botão que armazena uma quantidade variável de amostras em um arquivo de texto para posterior edição em planilhas como MS-Excel®. A Figura 5.15 ilustra o programa utilizado (Programa 2 do ANEXO D).

Figura 5.15 – Programa para traçar as curvas de atrito utilizando o tacogerador

A outra maneira utilizada para medição da velocidade de deslocamento da mesa consistiu em tratar o sinal de posição da régua óptica Heindenhain modelo LID

Capítulo 5 Procedimento Experimental 107 311, que será acoplada à mesa. Conhecendo a posição da mesa em função do tempo é possível chegar aos valores de velocidade, a partir da divisão da distância percorrida pelo tempo decorrido durante tal deslocamento.

A régua óptica (escala óptica-eletrônica) será utilizada em conjunto com o Indicador Digital Universal Diadur ID 1400. O indicador Diadur possibilita a comunicação com o PC através de porta serial RS-232C, possibilitando as aquisições no Labview.

As medições com o programa para Labview iniciam-se com a configuração da porta de comunicações a ser utilizada (o padrão é a COM1). Com exceção da taxa de transferência (baud rate), os demais parâmetros não são configuráveis no indicador Diadur, devendo ser utilizados os parâmetros requeridos por esta unidade, que são:

Taxa de transferência (Baud Rate): 9600 Número de Bits de dados (Data Bits): 7 Número de Bits de parada (Stop Bits): 2 Paridade (Parity): Ímpar (Even)

Após a configuração e execução do programa, as operações de solicitação de leitura (através do envio do código “STX”, na prática um string “<ctrl>+S”), e recebimento de dados alternam-se. Isto ocorre simultaneamente à aquisição dos valores do torque no motor, através de um canal analógico da placa de aquisição.

A Figura 5.16 mostra o programa para determinação das curvas de atrito a partir do uso da escala óptica-eletrônica.

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Figura 5.16 – Programa para traçar as curvas de atrito utilizando a escala óptica- eletrônica

Esse programa traça as curvas de velocidade e torque em função do tempo, além da curva de torque em função da velocidade. Há ainda a opção de exportar os dados para um arquivo de texto.

Com esse sistema conseguem-se aquisições em intervalos de 37 ms (ou 27 amostras/segundo). Isto pode não ser suficientemente rápido para o acompanhamento on-line do transitório, mas é adequado para obtenção do mapa estático do atrito, já que se trata de um ensaio em regime permanente. Caso fosse desejado o levantamento do comportamento do sistema no transitório, o tacogerador poderia ser o mais adequado, devido ao fato do seu sinal ser contínuo no tempo,

Capítulo 5 Procedimento Experimental 109 considerando que sinais discretos podem não ser suficientemente amostrados no transitório, o que poderia incorrer em erro de leitura.

Uma forma de aumentar a exatidão do conjunto, reduzindo seu erro, seria adaptar o Encoder Rotativo Heidenhain ROD 800 ao eixo do fuso. Este, em conjunto com o indicador Diadur, atinge a resolução 100 vezes menor que a resolução da escala óptica-eletrônica. Porém, para as necessidades deste trabalho, a escala óptica-eletrônica se comportou de maneira satisfatória.

As informações referentes ao torque desenvolvido pelo acionamento podem ser obtidas conhecendo-se a corrente de armadura e a constante de torque de um motor corrente contínua (CC). Em motores CC a corrente de armadura é proporcional ao torque segundo a Equação 3.5, descrita por Martin (1996).

A constante de torque Kt pode ser obtida diretamente no catálogo do

fabricante do motor ou experimentalmente por ensaio em bancada. Neste trabalho será utilizada a bancada desenvolvida por Pimentel (1997) para obtenção de valores

mais confiáveis para Kt, visto que este valor pode variar com o envelhecimento do

motor.

A corrente de armadura i(t), por sua vez, será obtida com o uso de um sensor de corrente (marca LEM, modelo LA 25-P). Um pequeno circuito aliado a um transdutor de efeito Hall fornece informação a respeito da corrente que circula por dentro de seu circuito magnético. Assim, um dos condutores que ligam a fonte de alimentação ao motor passa por dentro do transdutor.

O condutor que liga a fonte de alimentação ao motor (por onde passa a corrente de armadura) será enrolado com 4 voltas pelos terminais do sensor, resultando em uma indicação de corrente quatro vezes maior que a corrente que realmente vai para o motor. Deve-se proceder assim para reduzir o erro, trabalhando mais próximo ao fundo da faixa de medição do transdutor, melhorando a relação sinal-ruído.

Após passar pelo resistor de 330 Ω, mostrado no circuito da Figura 5.17, a corrente de saída do transdutor gera uma tensão que será adquirida pela placa de aquisição (através de um divisor de tensão cuja saída é igual a metade do valor de entrada), por questão de segurança para a placa DAQ.

A Figura 5.17 mostra o circuito eletrônico que será executado para ligação do transdutor de efeito Hall:

Capítulo 5 Procedimento Experimental 110

Figura 5.17 – Circuito de montagem do transdutor de corrente

Uma série de ensaios será realizada, a partir das quais serão traçadas curvas de torque vs. tempo, velocidade vs. tempo e torque vs. velocidade, sendo que a Figura 5.18 apresenta o esquema da disposição dos equipamentos para realização dos ensaios.

Figura 5.18 – Esquema de montagem utilizado na execução dos ensaios de determinação das curvas de atrito

Capítulo 5 Procedimento Experimental 111 Deve-se estar atento para evitar a realização desse ensaio aplicando tensões progressivamente maiores ao acionamento com a mesa imóvel e medindo diretamente os valores de torque e velocidade no momento da partida. Utilizando este método, como o torque do acionamento aumenta até que seja suficiente para vencer o atrito estático, o movimento inicia-se rapidamente, pois o atrito dinâmico é menor que o atrito estático. Conseqüentemente, uma parcela do torque é despendida para aceleração do conjunto e para deformação elástica dos elementos do sistema de posicionamento. Se esse procedimento for adotado, o ensaio se torna mais trabalhoso, uma vez que seria necessário criar um equacionamento matemático levando em conta a inércia e a rigidez do sistema, para que fosse possível subtrair a influência das deformações elásticas e da aceleração, restando apenas a parcela do torque referente ao atrito nas guias da mesa.

Pode-se admitir que as deformações elásticas dos elementos da mesa estejam estabilizadas quando esta se desloca em regime permanente, assim a parcela do torque responsável pela deformação elástica pode ser desconsiderada. Ou seja, a condição de velocidade constante é suficiente para garantir que o torque entregue pelo acionamento é devido apenas ao atrito do conjunto.

Portanto, é mais vantajoso traçar as curvas de torque e velocidade em função do tempo em velocidade constante e, nesta condição, construir o mapa estático do atrito nas guias. Desta forma, a construção do mapa estático do atrito consiste em aplicar diferentes tensões constantes no motor, de forma a determinar vários pares torque vs. velocidade.

Equipamentos a serem utilizados:

- Motor CC com escovas, a ímas permanentes; - Transdutor de efeito Hall (ver ANEXO B); - Tacogerador;

- Escala óptica-eletrônica (ver ANEXO B); - Sistema de aquisição de dados;

- Programa feito para Labview com esta finalidade (Programa 2 do ANEXO D); - Circuito eletrônico analógico com comparador e amplificador de potência para implementação da malha de controle de velocidade;