Para proceder a calibr açã o de um a palp ado r seria ne ces s á r i o ter uma m á q u i n a . d e m e d i r por coordenadas (CMM) e um padrão corpo rIf Ica do com erros m á x i m o s Iguais ou inferiores a 1/10 dos erros estimados para o apalpador, para que tódos os erros identificados durante os ensaios p u d e s s e m ser atribuídos ao apalpador.
Sabe-se que na prática, esta con dição é difícil de ser obtida. Numa aproxima ção d e s t a condição, m o n t o u - s e uma bancada de ensaios para calibração d i r e t a do apalpador o ptoeIetrônico, onde a grandeza pa drão c o n s t i t u i - s e dos padrões corporificados, o s istema de me d i ç ã o a c a l i b r a r constitui-se do transdut or (apalpador), sistema de m edição de po siç ão (baseado num a es c a l a eI etroóptI ca) e uma
i *
unidade de indicação e análise co m p a r a t i v a (microcomputador).
Os erros p r e s e n t e s nos módulos, com ex ceção do apalpador, são conhecidos e, portanto, ao final dos ensaios, é possível determinai—se os erros do apalpador.
Na figura 4.1 tem-se uma visão geral da bancada para ensaios m e t r ol ógi cos do protótipo e na figura 4.2 a d is t r i b u i ç ã o dos elementos f unc ion ai s desta. 0 intuito desta bancada é simular o fu ncionamento de uma CMM e dar suporte, em todas as co nfigurações necessárias, a e xecução dos diversos ensaios a serem f eitos com o a p a I p a d o r .
66
(icomputador unidade conformador arco do fontes para
para progra- controladora de pulso e apalpador alimentaçao
raaçao da uni- de'motor dc contador e escala do apalpador
pcoraputador para aquisição de dados
F igura 4.1 - Visão geral da bancada de ens aios
Esta bancada s imuia uma CMM no que diz respeito:
- ao posicionamento, sistema para p o s i c i o n a m e n t o / m i c r o d e s I o c a m e n t o s automat i zado;
- a automação, sis t e m a para aq uisi ção e p r o c e s s a m e n t o de dados automat i zado;
Apalpador * • r ?L VÈ3D 11 1 1 áÊ « « 1 1 1 I***1 —— 1 * ■ M 1 Conformador 1 1 1 1 1 1 : :, H m — n 1 , : : n : 1 t 1 1 1 1 i a de pulso 1 ! 1 1 1 1 Diapositivo para fixaç&o e deslocamento transversal 1 1 1 1 PadxSo ) corporificado Diapositivo para fixação a alinhamento
&
:o:
(Mesa de miczo- 1 deslocamentos Escala#
□ Dispositivo para fixaç&o e movimentaçBc angular Unidade controladora de motor-DCà
□
Microcomputador Placa paralela Software31 Ui ï
Contador asc./desc.C = i
Microcomputador flaca serial SoftwareFigura 4.2 - Elementos funcionais da b anc ada para ensaios me tro lógicos do apa lpador
4.1 - INSTRUMENTOS PARA A BA NCADA DE E N S A I O S
A seguir será caracterizado e d eta lhado cada um dos c o m p o ne nte s da bancada de ensaios da figura 4.2; e n f o c a n d o suas c ara cte ríst ica s metrológicas. Esses componentes são n e c e s s á r i o s para re ali zaç ão dos ensaios, onde a incerteza de m edi ç ã o do ap alpador é d e s c on hec ida e as dos diversos componentes da ban cad a de ensaios conhecidas, sendo assim possível a determinação da incerteza do apalpador.
68 4.1.1 - Pad rõe s cor porificados
I d e a l m e n t e d ever-se-ia proceder a m e d i ç ã o de todo tipo de gr and eza e todas as dimensões possíveis à qual o a p a l p a d o r se presta, p a r a an al i s a r toda a faixa de operação. Por limitação de padrões de di f e r e n t e s formas e dimensões os ensaios serão restritos aos pa drões disponíveis e os resultados serão e xtr apolados, na m e d i d a do possível, para os demais casos.
Os pa drõ es corporificados serão ut iIi z a d o s como g r a n d e z a padrão nas d i v e r s a s medições. Para isso, serão uti liz a d o s ar a m e s padrão co m to l e r â n c i a s conhecidas e/ou p r e v i ame nte calibrados. Os padrões c o r p o r i f i c a d o s utilizados neste trabalho tem como g r a n d e z a a m e d i r um diâmetro, já que são mais facilmente al inh á v e i s junto a bancada de ensaios. Suas características estão des cri tas abaixo.
a) Jogo de arames padrão
São arames especificados basicam ent e para c a l l b r a ç ã o de roscas, pelo m é t o d o dos três arames. Se rão aqui uti I izados por o f e r e c e r e m uma bai xa incerteza em seu diâ me t r o e por serem, com o já foi dito, facilmente alinháveis junto a ban cad a de ensaios. Ca rac t e r í s t i c a s /51/:
- qua nti d a d e de arames com d ife re n t e s diâmetros: 21; - d i â m e t r o s nominais: 0.17 - 6.35mm;
b ) P i no
Devido aos ar ame s padrão terem di âmetros limitados é uti lizado um pino p ad r ã o para ampliar a faixa de operação, o ideal seria utilizar o u t r a s faixas mais. Ca rac t e r í s t i c a s metrológicas:
- qualidade superficial: lapidado; - diâmetro: 9.9997 ± 0.0004mm.
4.1.2 - D i s p o s i t i v o s para fixação e alinhamento dos padrões corpor i f i cados
Para seguir o pr in c í p i o de Abbe, d eve-se atender a certos cri térios de alinhamento entre os padrões corporificados e o s ist ema de medição de posição. Na figura 4.3 é apresentado um es boç o do projeto do d i s p o s i t i v o responsável pelo alinhamento - nas direções de rolamento e tombamento - entre o padrão corpor ifi cad o e a escala. C abe ressaltar que na d ire ção de tombamento o ajuste não é crítico, pois os padrões tem bom acabamento superficial e os deslocamentos n e s t a direção não são significativamente sentidos pelo apalpador ou sistema de m e d i ç ã o de posição. O aj uste na direção de g u i n a m e n t o dar-se-á com o dispositivo para f ixação e moviment açã o angular da escala do sistema de medição de posição.
São utilizados dois parafusos para obter os ajustes necessários. Na figura 4.4 tem-se um det alhe da montagem m e c â n i c a deste dispositivo, que apresenta u m arame padrão fixo ao mesmo. Na figura 4.5 tem-se uma vis ão destes d ispo sit ivo s e de todos os ou t r o s de fixação, a l i n h a m e n t o e ajustagem, utilizados na bancada de ensaios.
70
Figura 4.3 - Dispositivo para fixação e a l i n h a m e n t o do s padrões corpori f içados
Cabe ressaltar que o alinha men to é feito a tra vés de ajustes, durante a realização de um ensaio. Por exemplo: p a r a eliminar o desaIinh ame nto por rolamento do padrão, col oca -se o sistema em fu ncionamento e procede-se algumas leituras da grandeza. A seguir, aj usta-se o dispositivo até obter o ponto de mí nim o e, conseqüentemente, o valor da grandeza em questão.
4.1.3 - Mesa de M i c r o des loc amen tos
A mes a de microdes loc ame ntos está rigidamente aco p l a d a sob o d i s p o sit ivo de fixação e alinhame nto dos padrões c o r p o r i f i c a d o s .
Figura 4.4 - D e t a l h e do dispositivo para fix a ç ã o e alinhamento dos p a d r õ e s corporificados
dispositivo para fixação escalai da escala
Figura 4.5 - D e t a l h e da bancada para e ns a i o s m et r ol ó gi c os do a p a I a p d o r
Tem por função simular o f u n c i o nam ent o do CNC ( C o m p u t e r Numerical Control) da m á q u i n a de me dir por coordenadas, ou seja, provocar o
m o v i m e n t o relativo entre o padrão c orporifIcado e o sistema de m e d i ç ã o de posição. Com isso é possível a p a s s a g e m do padrão co r p o r i f i c a d o através do feixe laser, com uma v e l o c i d a d e constante, reversível e de forma repetitiva. 0 controle desta me sa é feito por um s o f tware espec í f i co exe cu t a d o em um mi c r o c o m p u t a d o r , que permite
a d e t e r m i n a ç ã o do s entido de des loc ame nto da mesa, a variação de sua velocidade, paradas em determinadas posições, etc. C a r a c t e r í s t i c a s e componentes:
- m o v i m e n t o controlável: v e l o c i d a d e s (< 0.7mm/s) e acelarações; - Torque do m otor DC;
- m o t o r de cor rente contínua;
- uni dad e con t r o l a d o r a de m o t o r DC programável.
A v e l o c i d a d e é uma limitação, idealmente d e v e r i a tender ao infinito. Nas atuais C M M ’s com apalpadores rígidos, a velocidade está em torno de 5mm/s, o que está ainda m u i t o além dos 0.7mm/s permitid os pela me sa de m i c r o d e s I o c a m e n t o s . A an áli se feita para v e l o c i d a d e s abaixo de 0.7mm/s pode ser e x t r a p o l a d a para valores maiores, sem incorrcla em erros significativos.
4. 1.4 - E s c a l a e D i s p o s i t i v o para Fixação e M o v i m e n t a ç ã o Angular
0 sistema de me d i ç ã o de po sição é o componente chave na bancada de ensaios, vi st o que seus erros afe tarão d ire tam ent e nos resultados destes. Por isso, optou- se por um sistema de m e d i ç ã o de posição em boas co ndi çõe s e com car act erí sti cas abaixo descritas.
O sistema de m edi ç ã o de posição é composto por uma escala eletroóp tlc a (motivo pelo qual o si stema de med i ç ã o de posição é somente d e n o m i n a d o escala ao longo do texto), um conformador de pulso e um c o n t a d o r as cendente/descendente. 0 conform ado r de pulso e o contador ab rigam a unidade de tratamento de sinais, indicador e interface com microcomputador. A figura 4.6 mo s t r a a sua curva
de calibração. Caract erí sti cas /52,53/: - vel oci d a d e de m edição máxima: 0.3m/s; - incerteza de medição: ±0.6jim;
- incerteza de med ição com c o m p e ns açã o de erros sistemáticos: ±0.3jim;
- resolução = 0 . 1 pm;
- faixa de operação: 30mm.
C o m o valor d a velocidade pode-se determinar um tempo de resposta de ap r o x i m a d a m e n t e 0.3^s. U m valor bastante b o m para as ex per i m e n t a ç õ e s a serem feitas, q uando comparadas a velocid ade da m e s a de m icr ode slo cam ent os.
O d i s p o siti vo para fixação e m o v i m e n t a ç ã o angular da escala é composto por u ma me sa de m o v i m e n t a ç ã o angular comercial. Objetiva o al inh ame nt o - na direção de guinamento - e ntr e o padrão c o rp o r i f i c a d o e a escala. O pr oce dim ent o para este alinhame nto é o mesmo d e s c r i t o no final do item 4.1.2.
74 Erro (tvt) C o n v e n ç ã o — C u r v a d e E r r o S i s t e m á t i c o ... D i s p e r s ã o de M e d i c a o < 9 5 , 0 0 % > r e l a t i v a a C u r v a d e E r r o S i s tem áti co --- - — • Resolução Figura 4.6 - Curva de c a l i b r a ç ã o da es c a l a /52/
4 . 1 . 5 - D i s p o s i t i v o para F i x a ç ã o e Des locamentos T r a n s v e r s a i s do A p a l p a d o r
Este d is p o s i t i v o permite o m o v i m e n t o relativo entre o apalpador e o padrão corporiflcado, na d i r e ç ã o de propagação do feixe laser.
E s t a m o v i m e n t a ç ã o é n e c e s s á r i a para execução do ensaio de p o s i c i o n a m e n t o ao longo do feixe, que prevê a m o v i m ent açã o relativa entre o ap alp ado r e o p adrão c o r p o r i f i c a d o - discutido no próximo capítulo.
O disposi tiv o proporciona um a p o i o isoestático u til iza ndo três esferas de aço sobre uma p l a t a f o r m a de granito, e apoio lateral com
duas esferas de aço numa régua também de granito. Isto para ter uma boa s u s t ent açã o e uma trajetória b astante linear ao proceder-se este deslocamento.
4.2 - A U T O M A Ç Ã O DA BANCADA PARA E NS A I O S
De v i d o ao grande volume de leituras a serem realizadas, a ne ces sid ade da mai or c onf iabilidade possível para o s ist ema e de uma sim ula ção bastante realística da CMM, torna necessár ia a a uto maç ão da bancada para ensaios. A l é m do que, a automação facilita ba sta nte o uso da bancada. A seguir serão descritas as soluções a d o t a d a s para esta automação.
4.2.1 - H a r d w a r e
Para proceder a automação da m e d i ç ã o fez-se uso de dois m i c r o c o m p u t a d o r e s do tipo IBM PC. Um, com interface serial, para
controle da m e s a de mi c rod esIocamentos e o outro para aquisição, m a n i p u l a ç ã o e a rmazenamento dos dados provenientes da escala. A
interface entre ambos é feita v i a placa de comunicação paralela.
É via esta placa que chega o trigger - gerado pelo ap alp ado r - ao
76
/Quantas leituras (n)?/
Inicializa sistema
+
Sentido de leitura
p/ direita, p/ esquerda
j
Faz leitura
Mostra leituraj
Troca sentido
de leitura
Calcula resultado
*
Mostra resultado
I
n=n-1
4.2.2 - Software
Na figura 4.7 te m - s e um fluxograma básico do s o f t w a r e d e s e n v o l v i d o
para aquisição, a r m a z e n a m e n t o e process ame nto dos dados. As rotinas de leitura do trigger e dos dados pr ove nie nte s da esc ala foram
desenvolvidas na I inguagem de programação Assembler, pa ra pr opi cia r alta velocidade de a q u i s i ç ã o (na o r d e m de m i c r o s e g u n d o s ) , já que a me diç ão é dinâmica. Já as rotinas de interface h o m e m / m á q u i n a
foram desenvol vi das na linguagem de p r o g r ama ção Pascal, pois não têm restrições q u a n t o a velocidade. Na figura 4.8 tem-se um exemplo de aquisição, a p r e s e n t a ç ã o e pr ocessamento de dados pelo software.
Cabe destacar a rotina de cálculos, onde os t r i g g e r s - Ida Entrada,
Ida Saída, Volta E ntr ada e Volta S aída - são a q u I s I c I o n a d o s independentemente de seu valor. No caso de um val or m u i t o fora da m é dia - valor d e t e r m i n a d o pelo op er a d o r - o p r o g r a m a avisa, colocando uma m e n s a g e m de trigger errado (TE) ao lado deste valor,
mas ainda assim o inclui nos cálculos. Para o caso dos t riggers o
cálculo se resume a determinar a m é d i a a r i t m é t i c a e o desvio padrão, que são a p r e s e n t a d o s na tela do pro grama (fig. 4.8).
Ao lado de cada par de leituras aparece o r esp ect ivo d i â m e t r o (fig. 4.8). 0 resultado da m e d i ç ã o é c alc ula do pela m é d i a dos diâ met ros (resultado base) e uma incerteza do resultado - c a l c u l a d a pela composição da d i s p e r s ã o da me di ç ã o dos d iâm etros e da incerteza de m e dição da escala.
78
n Entrada Saída Ida Diâmetro Entrada Saída Voí ta Dí âmetro
2,5576 4.6070 2,0494 4.5770 2.5271 2.0499 2 2.5570 4.6069 2.0499 4.5771 2.5269 2.0502 3 2,5573 4.6070 2.0497 4,5767 2,5271 2.0496 4 2.5570 4*6072 2.0502 4.5774 2.5271 2.0503 5 2.5571 4.6070 2,0493 4.5766 2.5269 2.0497 8 2.5573 4,6072 2,0499 4.5765 2.5271 2*0494 7 2.5571 4.6072 2.0501 4,5770 2,5272 2.0498 8 2.5571 4.6070 2»0499 4.5770 2.5273 2.0497 9 2.5573 4.6070 2.0497 4.5768 2.5271 2.0497 10 2.5573 4.6071 2,0498 Wê êÊêÊ È Ê S SêêIêÈí WêÊê ê ê êÊêM B l l S i i l S Ida ; Entrada MÉDIA 2.5572 DESVIO 0.00GÍ94 WÈÊÈÊÊÊÈÈÈÈÊÊMM |l|§fl§ : Saída 4,6071 0.000113 WÊÊÈÊÊÊÈM Voí ta : Entrada ; Saída 4.57692.5271 0.0002780.000127 Diâmetro Ida Di âmetro Voí ta
Fazendo leituras.
= 2.0499 ± 0.0003 = 2,0498 + 0.0003Esperando chegar a 6
.7.0763Figura 4.8 - Exemplo de a pre sen ta ç ã o / a q u i s i ç ã o de dados do