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Desenvolvimento de um Sistema de Comando e Aquisição de Dados de uma Máquina Universal de Ensaios

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(1)

F

ACULDADE DE

E

NGENHARIA DA

U

NIVERSIDADE DO

P

ORTO

Desenvolvimento de um sistema de

comando e aquisição de dados de uma

máquina universal de ensaios

Miguel Morais Trindade

Orientador: Joaquim Gabriel Magalhães Mendes Co-Orientador: Abel Dias dos Santos

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

(2)
(3)

Desenvolvimento de um sistema de comando e aquisição

de dados de uma máquina universal de ensaios

Miguel Morais Trindade

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

(4)

As máquinas universais de ensaios (máquinas de tração) são fundamentais nos laboratórios de caraterização mecânica de materiais, podendo ser usadas quer para trabalhos didáticos, quer de investigação.

Nesta dissertação, foi desenvolvido um sistema de comando e aquisição de dados de uma máquina universal de ensaios, modelo Instron 4466, em software LabVIEW. Este equipamento, para além da sua utilização na realização de ensaios de tração, tem a flexibilidade de poder ser usado para outros ensaios mecânicos (ensaios de compressão e flexão).

O dispositivo pode ser comandado tanto por um protocolo de comunicação GPIB (General Purpose Interface Bus), como pela consola de comando anexa ao quadro estrutural da máquina.

O comando e a aquisição de dados foram realizados através de um computador, sendo a ligação com a máquina efetuada por GPIB (para envio de comandos e leitura de posição). Para a leitura da força e da extensão, utilizou-se uma placa de aquisição da National Instruments.

A aplicação desenvolvida foi realizada em software LabVIEW, capaz de processar, ler, apre-sentar e gravar a informação proveniente tanto da placa de aquisição como da porta GPIB.

Um desenvolvimento adicional foi a instalação de duas câmaras de vídeo na máquina: uma webcamMicrosoft HD e a câmara de um smartphone. Nesse sentido, ao software desenvolvido foi adicionado um módulo de visão capaz de processar as imagens e apresentar os valores de deformação do material, no caso do ensaio de tração, e a medição dos ângulos de retorno elástico, no caso de ensaios de flexão.

A interface com o utilizador foi desenvolvida de modo a facilitar a operação da máquina por utilizadores com diferentes tipos de experiência.

Foi criado um sistema de receitas, com valores pré-definidos, de modo a facilitar a configura-ção da máquina e garantir a repeticonfigura-ção de ensaios com os mesmos parâmetros.

De forma a validar as funcionalidades desenvolvidas, foram executados ensaios de tração e flexão em três pontos e comparados os resultados com outros previamente obtidos noutras máqui-nas.

(5)

Abstract

Universal testing machines (tensile testing machines) are a fundamental equipment in testing laboratories, being also important for educational activities and practical learning.

This dissertation is related with the development of a control and data acquisition system for a universal testing machine, Instron 4466, using LabVIEW software.

This kind of equipment, in addition to being generally used for tensile tests, has the flexibility to be used for other mechanical tests by means of controlling the crosshead displacement and having available corresponding load data. The existing machine can be controlled either by a GPIB (General Purpose Interface Bus) communication protocol, via a GPIB-B-USB adapter cable, or by the control console attached to the structural frame.

The acquisition of the force and displacement is performed using a National Instruments data acquisition board and a LabVIEW application that is able to read, process, display and record the data, as well as, to interact with the universal testing machine using the GPIB for status check and commands.

An additional development has been the installation of two video cameras in the machine: a Microsoft HD webcam and a smartphone camera. The developed software has a vision module capable of processing images and calculating specimen strain data, when performing tensile tests and the measurement of springback angles, in case of bending tests.

The user interface has been developed in order to simplify machine operations for users with different skills and experience.

A system of predefined procedures was created, which allows efficient configuration of the machine and ensures repeatability of tests.

Developments were also validated by performing several different tests, such as tensile and bending tests, and corresponding results were compared with standard results from similar univer-sal testing machines.

(6)

Em primeiro lugar, gostaria de agradecer a quem devo tudo o que sou, a minha família. Obri-gado Pais por me ensinarem os valores pelos quais me rejo e enfrento o mundo. ObriObri-gado Mana por seres a florzinha que está cá para me alegrar todos os dias. Obrigado Vó por seres o grande pilar da nossa família. Obrigado Tios por me reconhecerem como um filho e me darem o Primi-nho, a nova estrelinha da família. Obrigado Avô e Sílvia por terem estado sempre presentes nos momentos mais recentes e importantes da minha vida.

Ao meu orientador, Professor Joaquim Gabriel Mendes, pela contínua partilha de conhecimen-tos e competências, pelo contagiante positivismo em tempos de maior dificuldade e pela confiança que depositou em mim ao longo do desenvolvimento da máquina.

Ao Professor Abel Dias dos Santos um obrigado muito especial pela disponibilidade, comen-tários e pertinentes sugestões no decorrer do projeto.

Ao Professor António José Pessoa de Magalhães pela ajuda e partilha de conhecimentos na modelação UML.

Ao Rui Amaral e à Sara Miranda pela contínua ajuda, orientação e partilha de conhecimentos ao longo do semestre.

Aos meus colegas e amigos de laboratório Daniel, João e Rogério pela inter-ajuda e companhia nas imensas horas de trabalho, sem esquecer a boa disposição sempre presente.

Aos “Pablitos”, por me apoiarem há mais de uma década, sempre presentes nos bons e maus momentos.

À Arta Berzina, que acreditou sempre nas minhas capacidades e fez e faz sobressair o melhor de mim todos os dias.

À minha amiga Renata, pela amizade de longa data e pelo companheirismo incansável durante as últimas semanas para entrega da tese.

Às amizades que levo da FEUP, por terem sido também elas o meu apoio durante estes 5 anos. Um agradecimento especial pelo apoio do DEMec e SMPT e o financiamento no âmbito dos projetos P2020-PTDC/EMS-TEC/6400/2014 (FEDER-016876), POCI-01-0145-FEDER-031243, POCI-01-0145-FEDER-030592, POCI-01-0145-FEDER-032466, NORTE-01-0145-FEDER-000022, cofinanciado pelo Programa Operacional Competitividade e Internaciona-lização (Compete2020) e Regional do Norte (NORTE2020), através do Fundo Europeu de De-senvolvimento Regional (FEDER) e pela Fundação para a Ciência e Tecnologia através da sua componente do Orçamento de Estado.

(7)

“The best way to predict the future is to create it.”

Abraham Lincoln

(8)

1 Introdução 1 1.1 Motivação . . . 1 1.2 Objetivos . . . 1 1.3 Máquina . . . 2 1.4 Estrutura da Dissertação . . . 4 2 Revisão Bibliográfica 5 2.1 Introdução . . . 5 2.2 Tensão e Deformação . . . 5 2.2.1 Ensaios de Tração . . . 7 2.2.2 Ensaio de Compressão . . . 8 2.2.3 Ensaio de Flexão . . . 9

2.3 Definição de Máquina Universal . . . 11

2.4 Software de Controlo e Aquisição de Dados . . . 12

2.4.1 Software LabVIEW . . . 12

2.5 Processamento e Análise de Imagem . . . 13

2.5.1 Técnicas de Processamento . . . 13

2.5.2 Exemplo de Funções . . . 14

2.5.3 Video-Extensometria . . . 14

3 Estudo Prévio da Máquina Universal 15 3.1 Caraterização geral da máquina . . . 15

3.1.1 Especificações Elétricas e Caraterísticas dos Condicionadores de Sinal . . 19

3.1.2 Especificações da Célula de Carga . . . 19

3.1.3 Caraterísticas Funcionais do Quadro Estrutural e do Sistema de Controlo 20 3.1.4 Segurança . . . 21

3.2 Sistema de Comando . . . 22

3.2.1 Análise da Face Frontal da Consola de Comando . . . 22

3.2.2 Análise da Face Traseira da Consola de Comando . . . 26

3.3 Limitações de Funcionamento . . . 28

3.3.1 Limitações da Célula de Carga . . . 28

3.3.2 Limitações da monitorização e aquisição de dados . . . 28

4 Alterações Tecnológicas Implementadas 29 4.1 Instrumentação . . . 30

4.1.1 Célula de Carga . . . 30

4.1.2 Extensómetro . . . 31

4.1.3 Amplificador de Sinal . . . 32

(9)

CONTEÚDO vi

4.2 Sistema de Comando e Aquisição de Dados . . . 33

4.2.1 Placa de Aquisição de Dados . . . 33

4.2.2 Cabo GPIB-B-USB . . . 34

4.3 Sistema de Visão . . . 35

4.3.1 Câmara LifeCam Studio . . . 35

4.3.2 Câmara do Smartphone . . . 35

4.4 Outros Componentes . . . 36

4.5 Análise do Equipamento Final . . . 38

5 Software de Comando e Interfaces Gráficas 39 5.1 Estrutura de Programação do Software . . . 40

5.1.1 Programação do Sistema Global . . . 40

5.1.2 Programação do Sistema de Visão . . . 43

5.2 Desenvolvimento da Interface do Utilizador . . . 44

5.3 Blocos de Código . . . 48

5.3.1 Aquisição e controlo de dados . . . 48

5.3.2 Comunicação GPIB . . . 50

5.3.3 Relatório de Ensaio e Receita . . . 50

5.3.4 Programa de Visão . . . 52 6 Resultados Experimentais 55 6.1 Ensaio de Tração . . . 55 6.2 Ensaio de Flexão . . . 58 6.3 Ensaio Cíclico . . . 62 7 Considerações Finais 64 7.1 Conclusões . . . 64 7.2 Trabalhos Futuros . . . 65 Referências 67 A Anexos 69 A.1 Esquemas Elétricos . . . 70

A.2 Desenhos de Definição . . . 72

A.3 Relatórios de Ensaio . . . 74

A.4 Catálogos . . . 75

A.5 Caraterização do Extensómetro . . . 78

A.5.1 Definição dos Interruptores . . . 78

A.5.2 Procedimento da Caraterização . . . 78

(10)

1.1 Vista geral da máquina Instron 4466. . . 3

2.1 a) Força de tração com extensão linear positiva; b) Força de compressão com extensão linear negativa; c) Força de corte com λ =tanθ ; d) Momento de torção com rotação φ . . . 6

2.2 Representação gráfica da curva tensão nominal-extensão nominal de um material dúctil com acompanhamento do alongamento do provete . . . 8

2.3 Representação esquemática de um ensaio de tração . . . 8

2.4 Representação esquemática do efeito barril e da formação de zonas “mortas” du-rante a compressão uniaxial de um provete cilíndrico . . . 9

2.5 a) Representação esquemática do ensaio de flexão por 3 pontos; b) Representação esquemática do ensaio de flexão por 4 pontos . . . 10

2.6 Representação esquemática do ângulo de retorno elástico . . . 10

2.7 Máquina universal, modelo 5960, Instron . . . 11

2.8 Esquema genérico de um sistema de aquisição de dados . . . 12

2.9 Exemplo de uma imagem com tons de cinza escuros e o histograma associado . . 13

2.10 Exemplo de uma imagem com tons de cinza claros e o histograma associado . . . 13

3.1 Diagrama de funcionamento da Instron 4466 . . . 16

3.2 Representação esquemática da Instron 4466. . . 17

3.3 Célula de carga Intron 2525-816. . . 20

3.4 a) Face frontal da consola de comando da Instron 4466; b) Representação esque-mática da face frontal da consola de comando da Instron 4466 . . . 22

3.5 Representação esquemática numerada da secção de supervisão . . . 23

3.6 Representação esquemática numerada da secção de controlo de limites . . . 24

3.7 Representação esquemática numerada da secção principal . . . 25

3.8 Representação esquemática numerada da secção de movimento . . . 26

3.9 a) Face traseira da consola de comando da Instron 4466; b) Representação esque-mática da face traseira da consola de comando da Instron 4466 . . . 27

3.10 Representação esquemática dos pinos da porta ANALOG OUT . . . 28

4.1 Célula de carga de 10 kN, modelo U2B da HBM . . . 30

4.2 Extensómetro para gage length de 25 mm, modelo 3542-025M-060-ST Epsilon . 31 4.3 Amplificador de sinal para transdutores SG, modelo RM4220 da HBM . . . 32

4.4 Placa de aquisição da National Instruments, NI USB-6218. . . 34

4.5 Cabo GPIB-B-USB da National Instruments . . . 34

4.6 WebcamLifeCam Studio da Microsoft . . . 35

4.7 Arquitetura da solução definida. . . 36

(11)

LISTA DE FIGURAS viii

4.8 a) Modelo 3D da interface célula de máquina; b) Interface célula de

carga-máquina maquinada. . . 37

4.9 a) Modelo 3D da interface célula de amarra; b) Interface célula de carga-amarra maquinada. . . 37

4.10 Vista geral da Instron 4466 após implementações. . . 38

4.11 Sistema de comando e aquisição de dados. . . 38

5.1 Diagrama de atividade UML do subprograma de configuração. . . 40

5.2 Diagrama de atividade UML do subprograma de ajuste do travessão. . . 41

5.3 Diagrama de atividade UML do subprograma de realização de ensaios. . . 42

5.4 Diagrama de atividade UML do subprograma de visão para ensaios de flexão. . . 43

5.5 Diagrama de atividade UML do subprograma de visão para ensaios de uniaxiais. 44 5.6 Interface para configuração de ligações. . . 45

5.7 Interface para posicionamento do travessão. . . 46

5.8 Interface para realização de ensaios uniaxiais. . . 47

5.9 Bloco de código do ciclo while da realização de ensaios uniaxiais. . . 49

5.10 a) Ordem de paragem do travessão; b) Leitura de deslocamento do travessão. . . 50

5.11 Bloco de código para formulação do cabeçalho do relatório. . . 51

5.12 Bloco de código para preenchimento automático dos campos de dados. . . 51

5.13 Subprograma para análise de ângulos. . . 52

5.14 Processamento de Imagem no Vision Assistant para determinação de ângulos. . . 53

5.15 a) Provete com grelha desenhada; b) Processamento de imagem no Vision Assis-tantpara determinação de deformações. . . 54

6.1 Comparação das curvas de engenharia para o alumínio AA5754 obtidas pela Ins-tron 4466 e pela MTS 793. . . 56

6.2 Evolução da curva força-deslocamento para o Alumínio AA5754 e o aço DP 780. 56 6.3 a) Perfil do modelo utilizado para a modelação numérica; b) Modelação numérica do alumínio AA5754 em Abaqus. . . 57

6.4 Evolução da curva de engenharia para valores experimentais e numéricos do alu-mínio AA5754. . . 57

6.5 Evolução da curva de engenharia para valores experimentais e numéricos do aço DP 780. . . 58

6.6 Geometria do punção e da matriz do ensaio UCB - Unconstrained Cylindrical Bending . . . 58

6.7 Medição do ângulo do Alumínio AA5754 com uma suta. . . 59

6.8 Modelo UCB da simulação numérica em PampStamp . . . 60

6.9 Evolução da curva força-deslocamento para valores experimentais e numéricos do alumínio AA5745. . . 60

6.10 Evolução da curva força-deslocamento para valores experimentais e numéricos do aço DP 780. . . 60

6.11 Evolução da curva força-deslocamento para valores experimentais e numéricos do HSLA 420. . . 61

6.12 Análise das imagens com os valores dos ângulos antes e depois do retorno elástico do alumínio AA5754. . . 61

6.13 Representação esquemática da montagem parafuso-cápsula. . . 62

6.14 Evolução da força com o número de ciclos para valores numéricos e experimentais da montagem parafuso-cápsula. . . 62

(12)

A.1 Esquema elétrico das ligações da solução. . . 70

A.2 Esquema elétrico dos amplificadores de sinal. . . 71

A.3 Desenho de definição da interface da célula de carga-máquina. . . 72

A.4 Desenho de definição da interface da célula de carga-amarra. . . 73

A.5 Relatório exemplo para ensaios cíclicos. . . 74

A.6 Relatório exemplo de análise de ângulos. . . 74

A.7 Catálogo da célula de carga, modelo U2B da HBM. . . 75

A.8 Catálogo do amplificador de sinal, modelo RM4220 da HBM. . . 76

A.9 Catálogo do extensómetro, modelo 3542 da Epsilon. . . 77

(13)

Lista de Tabelas

3.1 Legenda da representação esquemática da Instron 4466 . . . 18

3.2 Elementos de segurança da Instron 4466 . . . 21

3.3 Legenda e descrição da Figura3.5. . . 23

3.4 Legenda e descrição da figura3.6. . . 24

3.5 Legenda e descrição da figura3.7. . . 25

3.6 Legenda e descrição da figura3.8. . . 26

3.7 Descrição das portas presentes na figura3.9. . . 27

3.8 Descrição dos pinos da figura3.10. . . 28

6.1 Descrição dos provetes do ensaio de tração. . . 55

6.2 Descrição dos provetes do ensaio de flexão. . . 59

6.3 Análise e comparação dos ângulos medidos com o sistema de visão e com a suta. 59 6.4 Análise e comparação de resultados dos ensaios de flexão numéricos e experimentais. 61 6.5 Análise e comparação de resultados do ensaio cíclico. . . 63

(14)

θs Ângulo de retorno elástico

em Extensão na carga máxima

e Extensão nominal ε Extensão real

E Módulo de young ou módulo de elasticidade Rm Tensão de rotura

Re Tensão limite de elasticidade

S Tensão nominal σ Tensão real

CPU Central Processing Unit CS Control Systems

DAQ Data Acquisition

DIC Digital Image Correlation

DCE Doctoral Congress in Engineering fdc Fim de curso

fps Frames per second

GPIB General Purpose Interface Bus

LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workstation LCD Liquid Crytal Display

LED Light-Emitting Diode PL Performance Level SIL Safety Integrity Level SRP Safety Related Parts

(15)

Capítulo 1

Introdução

Neste capítulo introduz-se o tema desta dissertação. É delineada a linha de rumo tomada na sua realização e expressa a motivação e os objetivos a atingir. Apresenta-se ainda uma curta descrição da máquina universal em análise e define-se o mapa de planeamento das tarefas.

1.1

Motivação

O desenvolvimento e a integração de soluções de automação industrial, ao longo dos últimos anos, tem-se revelado crítico face aos requisitos a que os processos e as máquinas estão sujeitos. O seu desenvolvimento promove novas metas de produtividade, melhores resultados e menores tempos e custos de operação.

Em alguns casos, o alcance das novas metas passa pela requalificação de máquinas antigas já existentes, ao invés da aquisição de equipamentos novos. Este processo de requalificação tec-nológica preserva todas as funcionalidades da máquina e acrescenta os componentes em falta à estrutura pré-existente. Quando comparado com a compra de um equipamento totalmente novo este processo revela um excelente balanço entre custos e recursos disponibilizados.

Assim, aliada à vontade de promover a caraterização de materiais em ambiente didático pelos estudantes de engenharia mecânica, foi possível realizar a atualização tecnológica de uma máquina universal de ensaios doada pela empresa Continental - Indústria Têxtil do Ave, S.A. (Continental) à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP). O processo de atualização asse-gurou a criação de uma nova interface de comando por computador com aquisição de dados de ensaios totalmente automática e algumas funcionalidades suplementares explicadas nos próximos capítulos.

1.2

Objetivos

A presente dissertação tem como objetivo principal o comando e aquisição de dados de uma máquina universal, modelo Instron 4466, doada pela Continental à FEUP, promovendo a sua utili-zação em demonstrações práticas em ambiente de ensino e investigação.

(16)

Desta forma, para combater a impossibilidade de gravação de dados e a ausência de interfaces gráficas, foi necessária a implementação de uma interface gráfica amigável que assegurasse a aquisição e monitorização de dados e permitisse ao utilizador manusear facilmente a máquina. Este projeto contempla as seguintes alterações: a) mudança da célula de carga existente (500 N) para uma com maior capacidade de carga (10 kN); b) integração de amplificadores de sinal; c) incorporação e caraterização de um extensómetro para medição da deformação em ensaios uniaxiais; d) implementação de uma placa de aquisição de dados para leitura de força e extensão; e) instalação de um cabo GPIB-B-USB para comunicação da máquina com o computador; f) adição de um módulo de visão para cálculo automático de ângulos e deformação; g) programação integral da interface de comando com integração dos módulos de aquisição de dados, comunicação e imagem; h) maquinagem de interfaces mecânicas para incorporação dos novos componentes.

Uma vez que se espera que a máquina seja maioritariamente utilizada por estudantes em situa-ção de aula, foram realçados alguns elementos para visualizasitua-ção de dados como displays e gráficos das diferentes variáveis nos três separadores. Foram também consideradas questões de segurança inevitáveis como botoneiras, fins de curso e protocolos de segurança e verificação de erros.

Por fim, e já com a solução implementada, testaram-se e validaram-se os ensaios numéricos concebidos em software de elementos finitos com os resultados obtidos na prática.

1.3

Máquina

A Instron 4466, representada na figura1.1, é uma máquina universal de ensaios, vulgarmente designada por máquina de tração, desenvolvida em 1991 pela empresa americana Instron, que se encontra entre os líderes mundiais no mercado das máquinas de ensaio mecânico.

Atualmente o modelo encontra-se descontinuado, mas ainda é considerada uma solução ro-busta e compacta. A nível tecnológico trata-se de um sistema eletromecânico capaz de realizar ensaios de tração, compressão e flexão, com uma capacidade de carga máxima de 10 kN. O estado de entrega da máquina incluía um controlador, montado na consola de comando, que possibilita o comando e monitorização direta de dados limitada a equipamentos Instron. Através de um teclado numérico é possível introduzir comandos como: velocidade, limites e parâmetros a analisar. Para a leitura e visualização de dados e estados são utilizados LCDs presentes na consola.

(17)

1.3 Máquina 3

Figura 1.1: Vista geral da máquina Instron 4466.

A reabilitação desta máquina permitiu ultrapassar problemas de limitações de carga na execu-ção de ensaios, comandar a máquina por computador, implementar sistemas de visão complemen-tares e acima de tudo proporcionar a aquisição de dados durante a operação, o que era impossível no passado. Os resultados dos ensaios realizados permitiram validar simulações numéricas reali-zadas no decorrer do projeto. Como contribuições científicas o desenvolvimento desta máquina foi apresentado no terceiro Congresso Doutoral em Engenharia, DCE 2019.

(18)

1.4

Estrutura da Dissertação

Tendo em conta os vários objetivos referidos anteriormente e desejando explicitar com o por-menor exigido todo o trabalho concretizado de forma a facilitar a sua compreensão, a presente dissertação foi dividida em sete capítulos.

No capítulo 1 – Introdução – apresenta-se o tema da presente dissertação, expondo a motiva-ção, os objetivos que se propõe alcançar com o seu desenvolvimento e uma pequena descrição da máquina de ensaios de tração

No capítulo 2 – Revisão Bibliográfica – apresenta-se a pesquisa bibliográfica elaborada sobre os ensaios mecânicos a materiais que a máquina deve incluir, com referência à definição de má-quina de tração, dando ênfase ao software de controlo utilizado e a técnicas de processamento de imagem.

No capítulo 3 – Estudo Prévio da Máquina Universal – descreve-se o estudo previamente ela-borado da Instron 4466. Este capítulo apresenta as funcionalidades presente na máquina e define as alterações a implementar no sistema existente para colmatar as limitações do seu funcionamento.

No capítulo 4 – Alterações Tecnológicas Implementadas – explica-se a instrumentação, o sis-tema de comando e o sissis-tema de visão implementados. Esta secção remete para a descrição por-menorizada de todos os componentes escolhidos ou desenvolvidos de forma a implementar o novo sistema de monitorização e controlo da máquina.

No capítulo 5 – Software de Comando e Interface Gráficas – expõe-se a lógica de comando desenvolvida através de diagramas de atividade UML, bem como a interface gráfica que permitirá ao utilizador operar a máquina.

No capítulo 6 – Resultados Experimentais – faz-se o teste de todo o trabalho desenvolvido, com a realização de ensaios e comparação de resultados com métodos numéricos.

No capítulo 7 – Considerações Finais – faz-se um resumo de todas as implementações rea-lizadas na tese e comparam-se os resultados finais com os objetivos definidos. Adicionalmente, referem-se também algumas propostas para trabalhos futuros.

(19)

Capítulo 2

Revisão Bibliográfica

Neste capítulo é ilustrada a importância das caraterísticas mecânicas dos materiais, sendo es-pecificados os seguintes temas: conceito de tensão e deformação; os diferentes ensaios de carate-rização mecânica passíveis de se realizarem na máquina; uma introdução ao software de controlo e aquisição de dados utilizado e, por fim, a apresentação de técnicas de processamento e análise de imagem.

2.1

Introdução

O conhecimento das propriedades mecânicas dos materiais é, e será sempre, uma matéria indispensável na área da engenharia. A escolha dos materiais a incluir numa determinada aplicação é, muitas vezes, tomada com a avaliação do comportamento destes às variantes a que vão estar sujeitos. No caso particular desta dissertação, o objetivo, como já referido, é o desenvolvimento de um sistema de comando e aquisição, para que seja possível sujeitar o material a diferentes tipos de carregamento conforme os ensaios pretendidos. Depois de tratados, os resultados poderão ser utilizados para o dimensionamento ou estudo de uma determinada peça.

2.2

Tensão e Deformação

Todos os corpos reais são passíveis de sofrerem, em maior ou menor escala, deformações pro-venientes dos esforços a que são sujeitos. Por vezes, este fator pode ser ignorado em simplificações matemáticas - os chamados “corpos rígidos”, livres de qualquer variação volumétrica.

Quando se analisa um corpo sujeito a esforços as principais variantes a ter em consideração são a taxa de variação da carga a que está sujeito; a área da secção de carregamento e o modo de aplicação da carga, essencialmente, de quatro tipos: tração, compressão, corte e torção, como representado na figura2.1[1].

O estudo dos materiais metálicos é, assim, dividido em dois regimes distintos: o regime elás-tico, onde os materiais recuperam a sua forma e estado inicial, depois de sujeitos a uma deformação

(20)

Figura 2.1: a) Força de tração com extensão linear positiva; b) Força de compressão com extensão linear negativa; c) Força de corte com λ =tanθ ; d) Momento de torção com rotação φ [1].

provocada por uma força exterior e o regime plástico, em que o material após solicitações externas deforma-se permanentemente, não conseguindo recuperar a sua forma e dimensões iniciais [2].

Para melhor compreensão destes conceitos é feita a definição de alguns critérios e parâmetros utilizados no estudo destes regimes.

Comecemos pela análise da curva tensão nominal-extensão nominal, figura2.2, que expressa a evolução de uma força com o deslocamento, F, em função da variação do comprimento de referên-cia, L0. A definição de tensão nominal, S, apresenta-se como uma noção puramente matemática

para representar a força, F, a atuar sobre a superfície da área de secção inicial do provete, A0,

representada pela equação2.1.

S= F A0

(2.1) O termo extensão, ε, representa o campo de deslocamentos físicos do corpo de prova. Na curva tensão nominal-extensão nominal, a extensão nominal, e, representado na equação 2.2, é dado pela razão entre ∆L, variação do comprimento de referência e L0, o comprimento inicial do

provete.

e=∆L L0

· 100%, em que ∆L = L − L0 (2.2)

(21)

2.2 Tensão e Deformação 7

pela equação2.3, em que E é o módulo de elasticidade ou módulo de Young, que traduz a rigidez do material.

S= E · e (2.3)

2.2.1 Ensaios de Tração

Uma das práticas mais comuns nos ensaios para caraterização de materiais é a realização de ensaios de tração. O ensaio consiste em submeter o provete a um carregamento uniaxial continu-amente crescente até que se atinja a fratura completa ou a estricção desejada [3]. Quanto à sua integridade é destrutivo e a nível de velocidades é lento, sendo considerado ensaio estático.

O provete do material a testar deve ser geometricamente definido por normas, ASTM A370 ou ISO 6892 por exemplo, em que a configuração mais recorrente é a de “dogbone”, cujo intervalo onde a deformação deve ocorrer está confinado à região central (mais estreita com uma secção transversal uniforme ao longo do seu comprimento), reduzindo a probabilidade de ocorrer fratura nas extremidades do provete.

O modo de fixação do provete à máquina deve ser feito através do bloqueio das cabeças do mesmo às amarras da máquina, como representado na figura2.3. Após a fixação do provete, para que seja possível medir a extensão do mesmo durante o ensaio, deve ser acoplado um extensómetro na sua região uniforme. A utilização do extensómetro pode, porém, ser evitada caso existam recursos digitais de análise de imagem como correlação digital ou video-extensometria.

Ao longo da execução do ensaio registam-se, essencialmente, duas medidas: a força aplicada pelo travessão da máquina no provete (através de uma célula de carga) e a variação do compri-mento do provete (através do extensómetro ou da análise de imagem).

Após, ou durante a realização do ensaio, pode traçar-se uma curva tensão nominal-extensão nominal ou força-deslocamento e recolhidos os dados sobre as variáveis do ensaio para análises posteriores.

(22)

Figura 2.2: Representação gráfica da curva tensão nominal-extensão nominal de um material dúctil com acompanhamento do alongamento do provete [2].

Figura 2.3: Representação esquemática de um ensaio de tração [4].

2.2.2 Ensaio de Compressão

Apesar dos ensaios de tração serem os mais recorrentemente abordados, estes têm algumas limitações na sua aplicação, devido ao facto de apenas definirem valores de extensão real, ε,

(23)

2.2 Tensão e Deformação 9

baixos por causa da formação da zona de estricção [2].

Assim, os ensaios de compressão desempenham, também, um papel fundamental na compre-ensão da ciência e engenharia dos materiais. Com a sua realização é possível simular e estudar diferentes cenários de deformação, o que ajuda na modelação genérica do material, útil quando se pretende utilizar o método dos elementos finitos para simulação computacional.

Para modelação do material, a execução destes ensaios promove o cálculo da energia armaze-nada pelo material no decorrer do processo, ajuda no estudo da sua microestrutura e também na compreensão de diferentes comportamentos durante a resposta às solicitações [5].

Dentro da categoria de ensaios de compressão destacam-se quatro de maior importância: • O ensaio de compressão de um cilindro entre pratos;

• O ensaio de compressão de um anel;

• O ensaio de deformação plana entre pratos planos;

• O ensaio de deformação plana de um cilindro entre pratos planos.

Dois exemplos de aplicações práticas destes ensaios são os casos de estudo do efeito de barril e da formação de zonas mortas aquando da compressão de um provete cilíndrico, como representado na figura 2.4 para pesquisa ou definição de diagramas de conformabilidade, “nível máximo de deformação que se pode alcançar durante um processo tecnológico de deformação plástica, sem que ocorra a formação de macrobandas, estricções ou fissuração” [6].

Figura 2.4: Representação esquemática do efeito barril e da formação de zonas “mortas” durante a compressão uniaxial de um provete cilíndrico [2].

2.2.3 Ensaio de Flexão

A realização de ensaios de flexão é uma outra técnica para efetuar o estudo das propriedades mecânicas de um material.

(24)

O procedimento adotado mais comum é a submissão de um provete plano retangular entre três ou quatro pontos de contacto, entre a cabeça de avanço e a base da máquina de ensaios, como mostrado na figura2.5.

Figura 2.5: a) Representação esquemática do ensaio de flexão por 3 pontos; b) Representação esquemática do ensaio de flexão por 4 pontos [7].

Durante a flexão do provete induzem-se forças de compressão no lado côncavo, forças de tração no lado convexo e forças de corte no plano médio.

Uma das principais preocupações na realização deste tipo de ensaios é a normalização da distância entre os pontos de apoio, onde se evita a criação de uma tensão de corte demasiado elevada [7].

Do tratamento de resultados deste ensaio um dos dados mais importantes para o estudo da conformação plástica de materiais é o ângulo de retorno elástico (springback angle) que é o ângulo obtido pela diferença de ângulos entre abas no momento em que o provete se encontra carregado pelo punção na sua amplitude máxima de curso, e no momento em que o punção é retirado e deixa de estar em contacto com o provete, como representado na figura2.6.

(25)

2.3 Definição de Máquina Universal 11

2.3

Definição de Máquina Universal

A máquina universal é um instrumento capaz de exercer uma determinada força, seja tração, compressão, ou, eventualmente, de corte, a que os provetes estão sujeitos durante os ensaios. A sua construção implica a existência de: a) um sistema de acionamento hidráulico ou eletromecânico; b) suportar a utilização de instrumentação necessária nos ensaios; c) um sistema de interface com o utilizador para controlo e monitorização de ensaios e a presença de elementos de segurança.

Na figura2.7está representada uma máquina universal do fabricante Instron.

Figura 2.7: Máquina universal, modelo 5960, Instron [9].

Através da análise da figura2.7é possível reparar na consola de interface com o utilizador, o painel tátil (1) do lado esquerdo onde se insere os dados dos ensaios e que acompanha as variáveis em tempo real; as amarras (2) para fixação do provete e a célula de carga (3) embutida no travessão superior.

(26)

2.4

Software de Controlo e Aquisição de Dados

Um software de controlo deve ser responsável não só por assegurar todas as exigências pro-postas para utilização da máquina em situações de funcionamento normal, como também garantir a segurança do meio envolvente em situações atípicas ou de emergência, oferecendo, assim, maior confiança e conforto para quem trabalha com o sistema. Deve cumprir a legislação tanto a nível de ensaios efetuados (normas como a E8/E8M-13a para ensaios de tração, a ASTM E9-09 para compressão ou a ASTM E855-90 para flexão) como também na parte da segurança do trabalho (normas gerais para uso de equipamentos como a EN ISO 12100).

A aquisição dos dados é o processo de recolha de informação resultante da medição das variá-veis. Esta função revela-se indispensável para posterior tratamento e análise de resultados. 2.4.1 Software LabVIEW

O LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workstation) é uma linguagem de programação que, ao longo dos anos, tem vindo a crescer em contextos académicos, industriais, científicos e até mesmo em meios laboratoriais. A programação é feita através de gráficos e ima-gens, ao invés das típicas linguagens de código. Ao ser uma linguagem de programação gráfica é mais fácil e rápido prototipar uma solução.

O software LabVIEW proporciona funções vocacionadas para a aquisição, tratamento e pro-cessamento de dados. Uma solução típica passa por:

• O software LabVIEW; • Um computador;

• Transdutores para a medição das grandezas de interesse; • Uma placa de aquisição de dados (DAQ).

A montagem do processo é facilmente compreendido pelo esquema da figura2.8.

(27)

2.5 Processamento e Análise de Imagem 13

2.5

Processamento e Análise de Imagem

2.5.1 Técnicas de Processamento

A análise de imagem combina técnicas que envolvem estatísticas e medidas de intensidade dos pixelsda imagem processada.

Uma das técnicas mais comuns na análise de imagem é a utilização de histogramas para a de-terminação do número total de pixels presentes nos diferentes níveis de cinza, como representado na figuras2.10e2.9. Nessas imagens os valores de cinza mais escuros aparecem na parte esquerda e os mais claros na direita.

Figura 2.9: Exemplo de uma imagem com tons de cinza escuros e o histograma associado [11].

Figura 2.10: Exemplo de uma imagem com tons de cinza claros e o histograma associado [11].

A partir desta análise, mediante as operações que se pretendem realizar, é possível definir um conjunto de parâmetros como [12]:

• Filtros Espaciais: Melhoram a qualidade da imagem com a diminuição de ruído, aumento de nitidez e suavidade;

• Morfologia da Escala de Cinza: Alterações e transformações em secções específicas das imagens;

• Domínio Frequencial: Processamento no domínio de frequências para controlo da variação dos pixels.

(28)

2.5.2 Exemplo de Funções

Num meio industrial são muitas vezes requeridos sistemas de visão que executem tarefas de monitorização de processos, onde partes de imagens são tratadas e inspecionadas de forma a cum-prirem as especificações delineadas.

Após aplicadas as técnicas mencionadas anteriormente, um sistema de visão pode conter as seguintes funções [13]:

• Deteção de arestas: Onde uma aresta é associada à mudança significativa na escala de cinza entre valores de pixels adjacentes;

• Sistema de medição: Quando se pretende medir distâncias associadas a comprimentos ou ângulos pela conversão do número de pixels com a razão da medida real da imagem; • Deteção de padrões: Onde determinados conjuntos de parâmetros são indexados a um

objeto, como a intensidade dos tons de cinza, o tamanho padrão e regiões da imagem, per-mitindo assim a sua identificação.

2.5.3 Video-Extensometria

A video-extensometria é uma técnica que utiliza câmaras digitais de alta resolução, CCD (Charged Coupled Device), que capturam imagens da zona uniforme do provete durante a exe-cução de ensaios (geralmente, ensaios uniaxiais). Após ensaio as imagens são processadas por um software de análise de imagem e é calculado o perfil de deformações [14].

Em comparação com os métodos tradicionais, a utilização de extensómetros e/ou valores do deslocamento do travessão, a video-extensometria confere as seguintes vantagens:

• Ausência de erros na medição devido à existência de deformações locais na zona uniforme do provete;

• Ausência de contacto com o provete, ao contrário do extensómetro que influencia não só a resposta tensão nominal-extensão nominal do material, devido à carga inerente da pró-pria massa, como também possibilita o dano do material testado, por causa das lâminas de fixação;

• Inexistência de folgas provenientes de possíveis escorregamentos entre as amarras e o pro-vete ou nas arestas de fixação dos extensómetros;

(29)

Capítulo 3

Estudo Prévio da Máquina Universal

A Máquina de Ensaios de Tração, Instron 4466, foi alvo de uma doação feita por parte da empresa Continental - Indústria Têxtil do Ave, S.A. à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto no ano letivo de 2018/2019, onde, em conjunto com o equipamento, também constava uma célula de carga tração/compressão, da série 2525 Instron, com capacidade de 0,5 kN e reco-nhecimento automático eletrónico por parte da máquina.

Neste capítulo é realizada uma análise detalhada de todos os recursos disponíveis da máquina de ensaios para que seja evidente a evolução do projeto desde o estado inicial até ao resultado final.

• Caraterização geral da máquina- Resumo genérico dos constituintes, funcionalidades e especificações da Instron 4466;

• Sistema de comando- Apresentação da interface do utilizador disponível, em conjunto com as suas funções e alarmes;

• Limitações de funcionamento e propostas de alteração- Apresentação de pontos fracos e sugestões de modificação e solução dos mesmos.

3.1

Caraterização geral da máquina

A análise da Instron 4466, da série 4400, deve ser dividida, essencialmente, em duas partes distintas: a parte relativa ao guiamento do travessão responsável por aplicar o carregamento de força, quer à tração, quer à compressão; e a parte correspondente ao sistema de controlo que trata os sinais de saída e implementa os parâmetros a ter em consideração durante os ensaios. Na figura

3.1é apresentado um diagrama, que relaciona e carateriza as diferentes interações entre estas duas partes [15].

(30)
(31)

3.1 Caraterização geral da máquina 17

Através da análise do diagrama é de notar que a placa de condicionamento de sinal da célula de carga permite, caso o painel frontal esteja devidamente ligado, que se realize o equilíbrio e o ajuste da conversão da força de modo automático. Após conversão, os dados podem ser gravados num dos aparelhos de aquisição de dados da própria marca, como uma impressora ou um registador gráfico.

A ordem de movimento do travessão é realizada através do painel central onde é endereçada e enviada também para o CPU. O movimento efetivo do mesmo é acionado através de um ser-vomotor, que recebe o sinal amplificado proveniente do controlador. O sistema de controlo de velocidade em malha fechada associado ao movimento do travessão é assegurado pelo encoder acoplado no veio do motor.

A nível mecânico, os constituintes da máquina universal são enumerados na figura3.2e des-critos, posteriormente, na tabela3.1.

(32)

Tabela 3.1: Legenda da representação esquemática da Instron 4466 [15].

Número Elemento Descrição

1 Contacto de Fim de Curso Elemento responsável pela paragem do movimento do travessão após atuação dos batentes 5 e 8 2 Conjunto de Suporte de Polia Conjunto que mantem a tensão das cintas de

guiamento requerida na polia 3 Suporte da Fonte de

Alimentação

Suporte da fonte de alimentação DC e do servomotor

4 Fita Métrica Utilizada para estimar a posição aproximada do travessão durante o movimento

5 Batente Inferior de Segurança Batente de segurança responsável pela paragem do movimento do travessão quando este o atinge 6 Chapa Metálica Chapa que contacta com os batentes de segurança 7 Vareta de contacto Vareta que liga os batentes 5 e 8 ao fdc 1

8 Batente Superior de Segurança Batente de segurança responsável pela paragem do movimento do travessão quando este o atinge 9 Prato Superior Placa que suporta os rolamentos ligados aos fusos e

confere rigidez ao quadro estrutural

10 Rolamento Superior do Fuso Rolamentos permanentemente lubrificados sem necessidade de manutenção

11 Foles de Proteção Protegem os rolamentos e os fusos de sujidade de contacto indesejável

12 Fuso de Esferas Fuso responsável pela transmissão de movimento 13 Colunas de Guiamento Barras cilíndricas que garantem o guiamento do

travessão e a rigidez do quadro estrutural 14 Capa de Alumínio Cobertura que envolve o fuso de esferas

15 Porca de Esferas Porca inserida no travessão que contém as esferas aprisionadas

16 Travessão Elemento móvel que aplica a força aos provetes 17 Encoder Gera uma tensão de saída proporcional ao número

de revoluções que o veio do motor executa 18 Consola de Comando Suporta todos os comandos e funções teste para

realização de ensaios

19 Motor de Acionamento Servomotor DC que promove o acionamento dos fusos de esferas e movimento do travessão 20 Correia do Motor Transmite o movimento do motor de acionamento

às polias

21 Tambores de Transmissão Ligados mecanicamente aos fusos para transmissão do movimento das correias

22 Rolamento de Esferas Inferior Rolamento localizado na parte inferior do fuso 23 Placa de Interface Circuito impresso que promove a interligação

entre a consola de controlo e o quadro estrutural 24 Correias Principais Correias dentadas que acionam os tambores de

transmissão

25 Botoneira de Emergência Botão de STOP usado em caso de emergência 26 Sistema de Nivelamento Requerido para o nivelamento inicial da máquina

(33)

3.1 Caraterização geral da máquina 19

O bom uso do equipamento e a boa performance no decorrer dos ensaios é conseguida através da correta utilização da máquina.

3.1.1 Especificações Elétricas e Caraterísticas dos Condicionadores de Sinal A fonte de alimentação disponibiliza três tensões de saída: +5 VDC; +15 VDC e -15 VDC. O encoder em conjunto com o driver do travessão garante uma incerteza de ± 0,01mm ou 0,15% do deslocamento exibido pelo LCD.

O condicionamento do sinal da força garante uma precisão de ± 0,01% da gama ou ± 0,5% do valor real. A esta incerteza estão associadas as seguintes normas: ASTM E4, BS1610, DIN 51221, ISO 7500/1, EN10002-2 e AFNOR AO3-501.

Semelhante ao anterior, o condicionamento do sinal do extensómetro garante uma incerteza de ± 0,01% da gama ou ± 0,5% do valor real, respeitando as seguintes normas: ASTM E83, BS3846, ISO 9513 e EN1002-4 [15] [16].

3.1.2 Especificações da Célula de Carga

Na procura de um correto reconhecimento das células de carga por parte da própria interface de comando da máquina, é estritamente necessário que exista compatibilidade entre os dois ele-mentos, a máquina e a célula. Esta imposição de compatibilidade delimita as opções de escolha dos transdutores aplicáveis.

Atualmente, as células de carga compatíveis com a máquina são muito reduzidas. Encontram-se quaEncontram-se todas descontinuadas, pelo facto de Encontram-serem exclusivas da Instron e do modelo da máquina estar desatualizado. Assim, algumas das séries compatíveis são:

• Séries 2525-800, Instron; • Séries 2511-200, Instron; • Séries 2518-200, Instron.

A célula de carga em posse pela faculdade, representada pela figura3.3, é da série 2525-800, com uma capacidade de carga de 500 N, de tração e compressão e acoplamento do tipo “drop through” com ligação direta ao travessão da máquina através de seis parafusos M10 de cabeça cilíndrica [17].

(34)

Figura 3.3: Célula de carga Intron 2525-816.

As caraterísticas desta série são as seguintes:

• Linearidade: <±0,25% do valor da leitura num intervalo de 0,4 a 100% da capacidade de carga;

• Repetibilidade: <±0,25% do valor da leitura num intervalo de 0,4 a 100% da capacidade de carga;

• Desvio de Zero: <±0,05% da saída máxima nominal; • Histerese: 0,1% da saída máxima nominal;

• Sensibilidade Nominal: 2 mV/V;

• Offset: <±10% da saída máxima nominal.

3.1.3 Caraterísticas Funcionais do Quadro Estrutural e do Sistema de Controlo Em termos funcionais, existem três variáveis limitadoras: a velocidade do travessão, proveni-ente da caraterística do servomotor em conjunto com o mecanismo de transmissão; a capacidade máxima de carga, limitada pelas caraterísticas do conjunto de equipamentos associados ao movi-mento e pela rigidez do quadro estrutural e o curso de trabalho disponível também limitado pelo quadro estrutural e pelos acessórios anexos necessários à realização de ensaios [16].

• Velocidade máxima do travessão: 500 mm/min; • Velocidade mínima do travessão: 0,005 mm/min;

• Velocidade máxima do travessão durante retorno: 600 mm/min • Capacidade de carga máxima da máquina: 10 kN;

(35)

3.1 Caraterização geral da máquina 21

3.1.4 Segurança

A segurança das máquinas é um elemento fulcral que visa proteger pessoas e equipamentos. A Instron 4466 é considerada relativamente perigosa, do ponto de vista da operação, durante o movimento ascendente ou descendente do travessão. A velocidade máxima de 500 mm/min (8,3 mm/s), apesar de baixa, em curtas distâncias – 25 mm de curso no caso de ensaios de flexão de três pontos – como o tempo de operação é curto, em caso de distração pode existir o aprisionamento de objetos que estejam, indevidamente, na região de trabalho (na zona de perigo com dimensões suficientes para esmagamento de dedos da mão).

A avaliação de risco deve ser realizada segundo a norma EN ISO 13849, onde são avaliadas três questões:

• Qual a severidade do dano que pode ser provocado por um acidente? Como referido acima o dano é o esmagamento de partes do corpo humano considerado grave e normal-mente irreversível (capacidade de carga máxima da máquina de uma tonelada) - S2; • Qual a cadência de exposição de risco? Como os ensaios não funcionam em contínuo e

são apenas realizados esporadicamente, considera-se uma baixa frequência com períodos curtos de duração - F1;

• Qual a possibilidade de se evitar o perigo? Considera-se que o perigo ocorre lentamente, dadas as velocidades e o curso total da máquina, existindo a possibilidade de implementação de sistemas de segurança reforçados (cortinas e barreiras de segurança) - P1.

Após avaliação do risco conclui-se que o risco se encontra com um nível de segurança integral, SIL, de 1, segundo a norma EN 62061 (com um nível de performance, PL, igual a c, segundo a norma EN ISO 13849-1). Esta categoria obriga a utilização de elementos e princípios de segurança bem testados, sem necessidade de proteção contra falhas.

Os elementos de segurança presentes na máquina são descritos na tabela3.2. Tabela 3.2: Elementos de segurança da Instron 4466

Elemento Descrição

Botoneira de Emergência Paragem com corte imediato de energia no motor Interruptores Mecânicos de

Fim de curso

Contactos normalmente fechados atuados em deslocamento quando o travessão atinge os batentes limites de curso

A botoneira de emergência garante o bloqueio do travessão da máquina com o corte de energia do motor, que impossibilita o movimento do fuso de esferas. Quando ativo é necessário rearmar a botoneira e executar uma função para realimentar o servomotor. A botoneira, elemento 25 da figura 3.2, está próxima da área de ensaios o que permite uma atuação rápida em situação de perigo.

Os interruptores de fim de curso são contactos normalmente fechados, que são comutados quando a chapa metálica presente no travessão atinge os batentes de segurança, enviando ordem

(36)

de paragem para o motor. Um dos interruptores assegura a paragem do travessão quando se atinge o limite superior e o outro o limite inferior. Para nova ordem de movimento é necessário aliviar os batentes de modo a fechar o contacto.

3.2

Sistema de Comando

Como já referido, a interface do utilizador é a consola de comando, representada pela figura

3.4a), onde estão integradas todas as placas de circuito impresso responsáveis pelos comandos e funções da máquina.

3.2.1 Análise da Face Frontal da Consola de Comando

Para uma melhor compreensão da consola dividiu-se o estudo em quatro zonas, representadas na figura3.4b).

Figura 3.4: a) Face frontal da consola de comando da Instron 4466; b) Representação esquemática da face frontal da consola de comando da Instron 4466 [18].

(37)

3.2 Sistema de Comando 23

1. Secção de Supervisão- Onde são mostradas as variáveis nos LCDs e indicado o tipo de monitorização nos LEDs;

Figura 3.5: Representação esquemática numerada da secção de supervisão [18].

Tabela 3.3: Legenda e descrição da Figura3.5.

Número Elemento Descrição

1 LCDs Visores de 4 dígitos responsáveis pela amostra dos valores de força, deslocamento e extensão

2 Reset dos Picos Botão que zera os valores dos picos máximos armazenados em ensaios realizados

3 Valores dos Picos e da Rotura

Configura o LCD da força para o valor de pico máximo durante o ensaio e os visores de extensão e deslocamento para o valores ocorridos durante a rotura

4 Valor da Rotura Configura os LCDs da força, deslocamento e extensão para os valores de rotura

5 Valores dos Picos Configura os LCDs da força, deslocamento e extensão para os valores de pico

6 Valores Instâneos Configura os LCDs da força, deslocamento e extensão para os valores instantâneos

(38)

2. Secção de Controlo de Limites- Onde os limites, máximo e mínimo, são implementados e detetados para os parâmetros força, deslocamento e extensão;

Figura 3.6: Representação esquemática numerada da secção de controlo de limites [18].

Tabela 3.4: Legenda e descrição da figura3.6.

Número Elemento Descrição

1 Máximo e Mínimo Botões a premir para configurar os limites de cada um dos parâmetros

2 Indicadores de Estado

Sinais luminosos que acendem continuamente quando os parâmetros estão a ser configurados ou piscam quando se atinge os limites pré-definidos durante ensaio

3 Rotura Botão que configura a ação que o travessão deve exercer após rotura do provete

4 Controlo do Travessão

Botões que configuram as ações de movimento que o travessão realiza na fase final de cada ensaio

(39)

3.2 Sistema de Comando 25

3. Secção Principal- Onde os parâmetros de ensaio e controlo são configurados;

Figura 3.7: Representação esquemática numerada da secção principal [18].

Tabela 3.5: Legenda e descrição da figura3.7.

Número Elemento Descrição

1 Teclado numérico

Teclado onde se introduzem os valores para:

calibrações; velocidades de ensaio; compensação de área; limites e execução de funções

2 LCD Visor de 4 dígitos que indica os valores das variáveis introduzidas pelo operador e o informa do estado do sistema 3 Resetdo

comprimento útil

Botão que configura o comprimento útil do provete com a posição em que o travessão se encontra

4 Área Botão que introduz no sistema a área transversal do provete

5 Área de teste Botão que define a área de teste, indicando através dos sinais luminosos se o travessão se encontra dentro dos intervalos 6 Força e Extensão Secção que realiza a calibração e o balanço da célula de

carga e do extensómetro

7 Velocidade Botão que define a velocidade do travessão 8 Tecla S1 Permite ou bloqueia o uso de funções do sistema

9 IEEE 488 Permite o controlo do sistema por computador por GPIB 10 Impressora Permite obter e imprimir relatórios de ensaio

(40)

4. Secção de Movimento- Onde são executados os comandos de início, paragem e retorno do travessão.

Figura 3.8: Representação esquemática numerada da secção de movimento [18].

Tabela 3.6: Legenda e descrição da figura3.8.

Número Elemento Descrição

1 Stop Botão que para o movimento do travessão

2 Retorno Botão que retorna o travessão à posição inicial, onde o comprimento útil do provete foi definido

3 Sentido Ascendente

Botão que inicia o ensaio com movimento ascendente do travessão

4 Sentido Descendente

Botão que inicia o ensaio com movimento descendente do travessão

3.2.2 Análise da Face Traseira da Consola de Comando

A face traseira da consola de comando, representada pela figura 3.9 a), é o local onde to-dos os cabos correspondentes a comunicações, alimentações e outras ligações mais específicas se conectam.

Na parte superior da representação esquemática na figura3.9b), é de notar que existem peque-nos interruptores que definem o endereço das portas a utilizar na comunicação GPIB, em conjunto com alguns sinais luminosos que informam o estado da troca de dados.

Na parte inferior, localizam-se todas as portas de ligação e comunicação com a consola de comando descritas pela tabela3.7.

(41)

3.2 Sistema de Comando 27

Figura 3.9: a) Face traseira da consola de comando da Instron 4466; b) Representação esquemática da face traseira da consola de comando da Instron 4466 [15].

Tabela 3.7: Descrição das portas presentes na figura3.9.

Nome da Porta Descrição

TEST Porta utilizada apenas pelo fabricante para efeitos de teste do sistema e das interfaces a si associadas

IEEE 488 Porta de comunicação para ligação do computador através de GPIB RS-232 Porta de comunicação com impressoras ou outros dispositicos com

interface RS232

FRAME Porta de ligação dos dispositivos do quadro estrutural à consola de comando

STRAIN Porta para ligação de extensómetros

ANALOG OUT Porta de saída de sinais de tensão utilizados em operações de aquisição e monitorização

LOAD Porta para ligação de células de carga POWER Porta de alimentação

mm/IN/SI Contacto de 3 posições que implementa as unidades de operação do sistema

De entre todas as entradas e saídas mencionadas, é importante destacar a porta de comunica-ção IEEE-488, responsável pela troca de informacomunica-ção entre o computador e a máquina, e a porta ANALOG OUT, responsável pela saída de sinais em tensão utilizados para aquisição de dados. A última porta apresenta pinos de saída bem definidos, como representado na figura3.10.

(42)

Figura 3.10: Representação esquemática dos pinos da porta ANALOG OUT [15]. Tabela 3.8: Descrição dos pinos da figura3.10.

Número do Pino Descrição

1 Saída analógica de força, ±10 V, relativamente ao ground analógico 2 Saída analógica de extensão, ±10 V, relativamente ao ground analógico 3 Sem conexão

4 Saída digital de PIP, +5 V, ativo em funções de escuta

5 Saída digital de RUN, +5 V, ativo quando a máquina executa ensaios 6 Groundanalógico

7 Groundanalógico 8 Grounddigital 9 Sem conexão

3.3

Limitações de Funcionamento

Apesar do bom funcionamento em termos mecânicos da máquina, existiam algumas limitações e impossibilidades que precisavam de ser ultrapassadas.

3.3.1 Limitações da Célula de Carga

O facto da célula de carga doada estar confinada a uma capacidade de carga pequena (0,5 kN), isto é, apenas 5% da capacidade que a máquina dispõe, restringia em larga escala a possibilidade de realização de ensaios que necessitassem de maior força, como o de tração ou compressão de material metálico.

Uma outra desvantagem era a ligação da célula de carga à máquina. A ligação de origem implica uma codificação própria realizada na placa de circuito impresso do adaptador da ficha. Isto para que sejam possíveis funções de auto-reconhecimento; calibração automática e acesso às funções de leitura de força (entre elas a visualização do LCD na consola e o sinal de saída na porta ANALOG OUT, pino 1). Isto significa que, no futuro, caso se pretenda adicionar uma nova célula de carga detetável pelo sistema, é imprescindível que esta se encontre categorizada nas séries de células admissíveis. Séries que, recordamos, com o passar dos anos foram descontinuadas. 3.3.2 Limitações da monitorização e aquisição de dados

Embora existam aparelhos e alguns softwares próprios de tratamento ou gravação de dados, estes não se encontram disponíveis no mercado, uma vez que foram descontinuados (como por exemplo registadores gráficos). Pelo que, mesmo que a sua utilização fosse possível, seria inútil face ao grau de desatualização tecnológica em comparação com sistemas atuais. A sua inexistência requere, assim, que se recorra a soluções alternativas.

(43)

Capítulo 4

Alterações Tecnológicas Implementadas

Depois de finalizada a análise do estado inicial da máquina, concluiu-se que era necessário tomar algumas medidas de intervenção para atualização e aumento de potencialidades do sistema. As áreas que sofreram alterações foram as seguintes:

• Instrumentação: Substituição da célula de carga por uma de maior capacidade de carga; caraterização de um extensómetro para realização de ensaios de tração e instalação de com-ponentes para condicionamento de sinal, nomeadamente os amplificadores;

• Sistema de Comando: Desenvolvimento de uma interface de comando através do com-putador. Instalação de uma placa de aquisição de dados para leitura dos transdutores de interesse;

• Sistema de Visão: Integração de câmaras para complementação de informação dos ensaios; • Outros Componentes: Instalação de interfaces auxiliares para interligação de sistemas; Concluídas todas as alterações foi feita uma análise do equipamento final, com apresentação da disposição atual dos elementos na máquina de ensaios.

(44)

4.1

Instrumentação

De modo a obter um proveito máximo das capacidades de teste da máquina, foi necessário adquirir uma nova célula de carga de capacidade de carga superior e garantir a leitura do sinal de saída, não necessariamente pela interface própria da máquina (devido à codificação), mas pela nova placa de aquisição de dados.

Para além da célula de carga, para que seja possível a realização de ensaios uniaxiais foi necessária a aquisição de um extensómetro.

4.1.1 Célula de Carga

Após comparados alguns modelos de células de carga o que melhor respondeu à relação preço/qualidade foi a célula de carga para esforços de tração e compressão do modelo U2B da HBM, representada pela figura4.1, com as seguintes caraterísticas:

• Capacidade de Carga Nominal: 10 kN; • Classe de Precisão: 0.1;

• Sensibilidade Nominal: 2 mV/V; • Tensão de Excitação: 5 a 10 VDC; • Não Linearidade: 0,1%;

• Desvio de Zero: 0,5% da saída máxima nominal; • Carga Máxima: 150% da capacidade de carga nominal.

Figura 4.1: Célula de carga de 10 kN, modelo U2B da HBM [19].

Esta célula foi calibrada no ato de aquisição em conjunto com o amplificador, recebendo a acreditação DAkkS de acordo com a norma ISO 17025. Esta calibração prefaz uma contribuição importante na garantia da qualidade e confiança dos resultados obtidos na medição de força.

Esta célula de carga, para além de aproveitar na totalidade as propriedades de carregamento da máquina, é um modelo já equipado com seis fios, isto é, dois para a tensão de excitação, dois para a

(45)

4.1 Instrumentação 31

tensão de saída e dois para compensar a tensão de excitação, promovendo um melhor desempenho na leitura do sinal.

Uma alternativa mais barata seria adquirir uma célula de carga do tipo S, no entanto, para o tipo de ensaios a realizar, como existem esforços de flexão, a solução escolhida é mais robusta. 4.1.2 Extensómetro

O extensómetro do modelo 3542-025M-060-ST da Epsilon, disponível em stock e represen-tado na figura 4.2, é recomendado para ensaios de tração, compressão e cíclicos. Este tem as seguintes caraterísticas: • Gage Length: 25 mm; • Curso de Trabalho: -1,25 a +15 mm; • Classe de Precisão: 0.5; • Sensibilidade Nominal: 2 mV/V; • Tensão de Excitação: 5 a 10 VDC;

• Não Linearidade: <0,15% da gama de comprimento; • Massa: 30 g.

Figura 4.2: Extensómetro para gage length de 25 mm, modelo 3542-025M-060-ST Epsilon [20]. Para conhecer a relação direta entre o deslocamento medido, ∆L, e o desequilíbrio da ponte de wheatstone, ∆V, foi necessário proceder à caraterização do extensómetro. Para este processo recorreu-se à utilização de um paquímetro, com uma resolução de 10 µm, como explicado no anexo A.5. Depois de ajustar corretamente o ganho e o zero do amplificador obteve-se a reta caraterizada pela equação 4.1, em que y é o valor do deslocamento e V a tensão de saída do amplificador.

Caraterística do Extensómetro: y [mm] = 0.813 ·V + 6.875 (4.1) Em complemento com a posição do travessão, a medição do extensómetro tem duas vantagens, a velocidade de aquisição e a resolução. Isto porque a aquisição depende, unicamente, da placa e não da comunicação computador-máquina.

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4.1.3 Amplificador de Sinal

Para implementar a nova célula de carga e o extensómetro foi necessário condicionar o sinal através de amplificadores externos, visto que os condicionadores de sinal da própria máquina apenas reconhecem os equipamentos das séries mencionadas anteriormente.

Os novos amplificadores permitem a leitura de sinal com ligação direta ao módulo de aquisi-ção.

Os amplificadores de sinal são do modelo RM4220 da HBM, representado pela figura4.3, e têm as seguintes caraterísticas:

• Classe de Precisão: 0.1;

• Tensão de Alimentação: 24 ±8 VDC; • Intervalo de Ganhos: 80 a 8500;

• Tensão de Excitação da Ponte: 5/10 VDC; • Tensão de Saída: 0 a 10V ou -10 a 10 V; • Corrente de Saída: 4 a 20 mA.

Figura 4.3: Amplificador de sinal para transdutores SG, modelo RM4220 da HBM [21].

Optou-se por este modelo pelo facto de ser do mesmo fabricante que a célula de carga e de possibilitar a montagem em calha DIN.

Na configuração dos sinais, tanto o sinal de saída da célula de carga como o do extensómetro é feito em tensão, entre -10 a 10 V, uma vez que os esforços/deslocamentos dos ensaios são de tração e compressão, com tensões de -10 a 0 V para compressão e de 0 a 10 V para tração.

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4.2 Sistema de Comando e Aquisição de Dados 33

4.2

Sistema de Comando e Aquisição de Dados

Era obrigatória a criação de uma nova interface de comando, uma vez que a interface de origem impossibilitava a realização de ações de monitorização e era incompatível com a leitura de sinais de força e extensão para equipamentos não pertencentes às séries do fabricante.

O sistema de interface de comando implementado é capaz de realizar o comando da máquina, num campo que engloba todas as funcionalidades necessárias durante a realização dos ensaios previstos. Ao mesmo tempo, garante adquirir e visualizar dados num formato adequado para posterior tratamento e consulta. Consegue, assim, providenciar autonomia completa ao utilizador no cumprimento dos seus objetivos com maior facilidade.

A programação da interface foi realizada no software LabVIEW onde são necessários alguns componentes de hardware para aquisição de dados e comunicação com a máquina.

4.2.1 Placa de Aquisição de Dados

Para proceder à aquisição e leitura de dados da célula de carga e do extensómetro foi utilizada uma placa de aquisição com os seguintes requisitos:

• Portas analógicas: 2 entradas analógicas com gama de tensão ±10 V, com possibilidade de serem diferenciais;

• Portas de Ligação: Porta USB para ligação ao computador; • Compatibilidade: Programa LabVIEW.

Face aos requisitos expostos optou-se por escolher uma placa da National Instruments, NI USB-6218, representada pela figura4.4, disponível em stock com as seguintes caraterísticas:

• Alimentação: Porta USB para ligação ao computador com uma tensão de alimentação de 5 V;

• Isolamento: Apresenta isolamento de canais; • Resolução de conversão: 16 bits;

• Taxa de Amostragem máxima: 250 kHz;

• Entradas/Saídas Analógicas: 32 canais diferenciais, com tensão entre ±10 V; • Entradas/Saídas Digitais:: 16 canais digitais, com tensão de 0 e 5 V.

A resolução de leitura da força é de 0,3 N, de acordo com a equação4.2. A resolução de leitura de deslocamento é de 4,58 µm, de acordo com a equação4.3.

Resolução Leitura Célula de Carga =Gama de Carga Número de bits =

±10kN

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Figura 4.4: Placa de aquisição da National Instruments, NI USB-6218.

Resolução Leitura Extensómetro =Gama de Extensão Número de bits =

16, 25mm

216 = 0, 25 µm (4.3)

Para a instalação da placa e para o reconhecimento do dispositivo pelo computador utiliza-se o driver NI-DAQmx, disponível na página oficial da National Instruments.

4.2.2 Cabo GPIB-B-USB

Como referido na secção3.2.2, a única forma de comunicar com a máquina através de um computador é pela comunicação paralela, GPIB, utilizando um cabo conversor com barramento IEEE-488 e porta USB para conexão ao computador, como o que está representado na figura4.5, com as seguintes propriedades:

• Velocidade de Transferência de dados: Até 935 KB/s; • Número de dispositivos: Até 12 dispositivos GPIB; • Tipo de Interface: Plug-and-play.

Figura 4.5: Cabo GPIB-B-USB da National Instruments [22].

Para a instalação do cabo são utilizados dois drivers, ambos disponíveis no site da National Instruments: o driver NI-488.2, para reconhecimento automático do cabo pelo computador e o driverNI-VISA que possibilita a troca de mensagens entre o computador e a máquina.

(49)

4.3 Sistema de Visão 35

4.3

Sistema de Visão

De modo a complementar as propostas indicadas, na nova interface foi desejável integrar fun-ções adicionais de visão para tratar certas variáveis (com realização de medifun-ções sem contacto) e diminuir o tempo de análise de dados.

4.3.1 Câmara LifeCam Studio

A câmara representada na figura4.6, faz parte do sistema de visão responsável por determinar os ângulos entre as abas dos provetes durante a realização do ensaio flexão, em que a análise de ângulos é essencial para o cálculo do retorno elástico. As caraterísticas da câmara são as seguintes:

• Resolução: 1080 X 1920 pixels; • Porta USB: 2.0;

• Auto-Foco: Sim, entre 0,1 a 10 m; • Número de frames: Até 30 fps.

Figura 4.6: Webcam LifeCam Studio da Microsoft [23].

4.3.2 Câmara do Smartphone

Como referido anteriormente, foi desenvolvido paralelamente um programa de visão opcional capaz de calcular a deformação dos provetes em ensaios de tração. A câmara selecionada para tirar as fotos à zona útil do provete foi a de um smartphone, com uma resolução de imagem de 1080 X 1920 pixels até 30 fps.

(50)

Figura 4.7: Arquitetura da solução definida.

4.4

Outros Componentes

Para acoplar a nova célula de carga ao travessão da máquina e às amarras dos diferentes tipos de ensaios, foi necessário dimensionar e maquinar as interfaces representadas nas figuras4.8 e

4.9. O dimensionamento destes elementos teve em conta os esforços a que estariam sujeitos du-rante ensaios e gadu-rante que fatores de alinhamento ou possíveis mudanças de ferramentas sejam rapidamente executados.

No dimensionamento da interface célula de carga-máquina, na parte respetiva à ligação ao travessão, teve-se em conta o material dos parafusos utilizados (três parafusos de cabeça hexagonal M10 de aço ligado 12.9), demonstrado na equação4.6, e as caraterísticas dos furos passantes (furos passantes lisos H13 com caixa).

Na interface célula de carga-amarras analisou-se a secção crítica da garganta, calculadas e comparadas as tensões na equação4.7, entre a parte roscada e o corpo onde as amarras encaixam. Rm= 12 · 100 = 1200 MPa (4.4) Re= 0, 9 · 1200 = 1080 MPa (4.5) Smax= Carga máxima Número de parafusos · S0 = 10000N 3 · 58, 05mm2 = 57, 4 « 1080 MPa (4.6)

Imagem

Figura 1.1: Vista geral da máquina Instron 4466.
Figura 2.2: Representação gráfica da curva tensão nominal-extensão nominal de um material dúctil com acompanhamento do alongamento do provete [2].
Figura 3.10: Representação esquemática dos pinos da porta ANALOG OUT [15].
Figura 4.9: a) Modelo 3D da interface célula de carga-amarra; b) Interface célula de carga-amarra maquinada.
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Referências

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