P R O G R A M A DE P Ó S - G R A D U A Ç Ã O EM E N G E N H A R I A ME CÂ N I C A
AP A L P A D O R O P T O E L E T R Ô N I C O PARA M Á Q U I N A DE M EDI R POR CO O R D E N A D A S
D I S S E R T A Ç Ã O S U B M E T I D A Â U NIV E R S I D A D E FE DERAL DE S A N T A CATARINA PARA A O B T E N Ç Ã O DO G R A U DE MESTRE EM E N G E N H A R I A MECÂNICA
O DILS ON TA DEU VALLE
AP ALP A D O R O P T O E L E T R Ô N I C O PARA MÁ QU I N A DE MEDIR POR C O O R D E N A D A S
OD ILS ON TAD EU VALLE
ESTA D I S S E R T A Ç Ã O FOI JULGADA PARA O B T E N Ç Ã O DO T Í T U L O DE
ME STR E EM EN GEN H A R I A
ES PE C I A L I D A D E E N G E N H A R I A MEC Â N I C A E A P R O V A D A EM SUA FORMA FINAL PE LO PRO GRA MA DE P Ó S - G R A D U A Ç Ã O / B I EN GEN H A R I A M E C Â N I C A
kR^OS
Prof. C A R L O S ALB E R T O SCHNEIDER, Dr. Ing. - Or ien tad or
Prof. B ERE ND ^ N O E I ^ x « Dr. Ing. - C o o r d e n a d o r BA NCA E XAMINADORA
Prof. C A R L O S A LB E R T O SCHNEIDER, Dr. Ing. - Presidente
Prof. C A R L O S ALB ERT O MARTIN, Dr. Ing.
Prof. HER MAN N ADOLF HARRY LÜCKE, Dr. Ing.
0 jy.K a . C i .
À Alessandra, m i n h a namorada, a toda m i n h a família, e a todos meus amigos, que deram todo o seu apoio durante a realização deste trabalho
iv
AGRADECIMENTOS
- À F u n d a ç ã o CERTI e LABME TRO pela dispos içã o de sua infra- estrutura;
- Ao C N P q / R H A E (Conselho Nacional de P esqu isa e Des env olv lme to) pelo apo io financeiro;
- Ao p r o f e s s o r Carlos Alb e r t o Sch nei der pela o r i e n t a ç ã o deste trabalho;
- Ã A r t h u r Wolf Müller pelas enormes sugestões, au x í l i o e apoio; - À José P aul o Alves pelo auxílio nas m o n t a g e n s e testes;
- À M a r c e l o Gevaerd pelo auxíIio nos softwares;
- A o Manoel Joaquim dos Santos, por me fazer h e r d e i r o de toda
e s t r u t u r a por ele montada;
- Ao INF (setor de informações do CERTI), esp e c i a l m e t e a Elizete V i e i r a V ito rin o Estefano, pelo apoio na p esquisa bibliográfica; - À todos os colegas da Fundação CERTI que contribuiram, di ret a ou
indiretamente, na exe c u s ã o deste trabalho e pelo c o m p a n h e i r i s m o d e m o s t r a d o ao longo destes anos.
SUMÁRIO
RESUMO. . .
ABSIRACT .. . .
xi
GLOSSÁRIO . . . xi i
1. - INTRODUÇÃO. . .
1
1.1 - O P T O E L E T R Ô N I C A NA M E T R O L O G I A GEOMÉTRICA ... 2 1.1.1 - Mét o d o s de Med i ç ã o Op t o e I e t r ô n i cos . . . 3a) M e d i ç ã o por sombra geométrica . . . . 3
b) M e d i ç ã o por triangulação ... 3
c) M e d i ç ã o por interferometria ... 4
d) A u t o f o c o ... 5
1 . 2 - A P A L P A D O R E S ... 7
1.3 - P R O P O S T A DE T R A B A L H O / M O T I V A Ç Ã O ... 9
2 - APALPADORES E OOffONBffES OPTOELEIRÔNIOOS OONSTITUMES . . . .
n
2.1 - F U N Ç Ã O DOS A P A L P A D O R E S ... 112.2 - A P A L P A D O R E S PARA M Á QUINA DE MEDIR POR COOR D E N A D A S 12 2.2.1 - Apalpador R í g i d o ... 13
2. 2.2 - Apalpador Comutador ... . . 14
2.2.3 - Apalpador Medidor ... 16
2 . 2 . 4 - Apalpador ó p t i c o ... .. . 17
A P A L P A D O R E S O PTO ELE T R Ô N I C O S ... 18
2.3.1 - Apalpador Medidor por T r i a n g u l a ç ã o . . . 18
2.3.2 - Apalpador Medidor por A u t o f o c o ... 19
2 .3.3 - Apalpador por Interrupção de Feixe . . . 21
A N Á L I S E COMPARATI VA DOS APALPA DOR ES . . . * 21
D E S C R I Ç Ã O E A NÁLISE DOS COMPONENTES O P T O E L E T R Ô N I C O S P A R A O AP ALP ADO R DE INTERRUPÇÃO DE FEIXE . . . . 23
2.5.1 - D iodo Laser . ... 23
2.5.2 - Características do D iodo L a s e r ... 25
a) El étrica ... 27
b) Espacial ... 27
c) E s p e c t r a l ... 2 ^
d) V ar iaç ão do comprimento de o n d a ( Laslng oQ w a v e I e n g t h ) ... e) óp t i c a . ... f) Di nâmica ... 28 2. 5.3 - Fotodetetor ... .. 2 . 5 . 4 - Modos de operação e c a r a c t e r í s t i c a s q 1 fotodetetor de intensidade ... 33 a) Re sis tên cia S h u n t , Rs h ... b) Re si stê ncia Série, Rs ... 33 33 c) C a p a c itâ nci a de junção, Cj ... d) Ca ra cterísticas I - V ... 34 e) Respon siv ida de ... f) Cl rcutiro Equivalente - . ... g) R u í d o ... 36
h) N EP ( N o /se Equivalent Power) . . . . 36
3 - DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO DE APALPADOR OPTDEIEHSnIOO . . . .
37
3.1 - C A R A C T E R Í S T I C A S D E S E J Á V E I S ... ....37 3.2 - D E S C R I Ç Ã O DO P R O T Ó T I P O ... ....39 3.2.1 - M ó d u l o s ... ....40 3.2.2 - F u n c i o n a m e n t o ... ....42 3.2.3 - Fo n t e s de E r r o ... ... ....44 3.3 - C O M P O N E N T E S O P T O E L E T R Ô N I C O S ... ....48 3.3.1 - D iodo Laser ...49 3.3.2 - F o t o d e t e t o r ...50 3.4 - C O M P O N E N T E S Ó P T I C O S ... ....51 3.4.1 - L e n t e s ... .... 52 3.4.2 - D i a f r a g m a s ... .... 53 3.5 - C O M P O N E N T E S E L E T R Ô N I C O S . . ... .... 54 3.6 - A R C O ... •. . . . 55 3.6.1 - T o l e r â n c i a s ... 55 a) T o l e r â n c i a de L o c a l i z a ç ã o d e Co n c e n t r i c I d a d e ... .... 56 b) T o l e r â n c i a de Localização de P o s i ç ã o 56 3.6.2 - A j u s t e s dos Compon ent es ... .... 57
3 . 6 . 3 - P r o j e t o do Arco ... .... 58 3.7 - A C O P L A M E N T O DO A P A L P A D O R O P T O E L E T R Ô N I C O A M Á Q U I N A DE M E D I R POR C O O R D E N A D A S ... 59 3.8 - A N Á L I S E DE E R R O S NA CAD EIA DE M E D I Ç Ã O ... .... 61 3.8.1 - Erros S i s t e m á t i c o s ... .... 61 3.8.2 - Erros A l e a t ó r i o s ... 62
vl I i 4
- RECURSOS PARA ENSAIO DO DESBFBW) HElROtÓSICO DO PROTÓTIPO F U N C K M 65
4.1 - I N S T R U M E N T O S PARA A BA NC A D A DE E N S A I O S ... 67
4.1.1 - Pa d r õ e s co rporificados ... 68
a) Jogo de arames padrão . . . 68
b) P i n o ... 69
4 . 1 . 2 - Dispositivos para fixação e al inh ame nto dos padrões c orp orIfIcados ... 69
4 . 1 . 3 - M e s a de Microde sIo cam ent os . ... 70
4. 1 . 4 - Esc a l a e D isp osi tiv o para Fix açã o e M o v i m ent açã o An gul ar ... 72
4.1.5 - Dispositivo para Fixação e Deslocamentos Transversais do Apalpador ... 74
4.2 - A U T O M A Ç Ã O DA BANCADA PARA E N S A I O S ... 75
4.2.1 - H a r d w a r e ... 75
4.2.2 - S o f t w a r e ... 77
5 - ENSAIOS E RESULTADOS. . .
79
5.1 - E N S A I O DO T E M P O DE ES TAB ILI ZAÇ ÃO ... 80
5.2 - E N S A I O DE REPETIBILIDADE E HISTERESE ... 82
5.3 - EN S A I O DE VARIAÇÃO DOS DIÂMETROS M E D I D O S C OM A V A R I A Ç Ã O DA VELOCIDADE ... 83
5.4 - E N S A I O DE S EN SORIAMENTO EM DIFERE NTE S P OSI CI Ç Õ E S AO L O NGO DO FEIXE ... 87
5.5 - M E D I Ç Ã O DE DIFERENTES DIÂME TRO S ... 90
5.6 - C O N S I D E R A Ç Õ E S METROLÓGICAS F I N A I S ... 91
5. 6.1 - - C á I cu lo — da - D i s p e r s ã o da M e d i ç ã o do Ap alp ado r ... 92
5.6.2 - C á l c u l o do Erro S i s t e m á t i c o do Apa lpador 93 5.7 - O U T R A S C A R A C T E R Í S T I C A S . . . ... 95
6 - CONCLUSÕES . . .
96
X
RESUMO
Neste trabalho é a p r e s e n t a d o um e stu do sobre a p a l p a d o r e s para Má quina de M e d i r por Coo rde nad as (CMM) e o d e s e n v o l v i m e n t o de um apalpador o p t o e l e t r ô n l c o , com a pli c a ç ã o em m e d i ç õ e s de perfis, sem contato e com a l t a velocidade.
Através de uma anál ise de m ercado e I iteratura o p t o u - s e pelo e s t u d o e de sen v o l v i m e n t o de u m apalpador baseado no p r i n c í p i o de a p a l p a ç ã o por interrupção de feixe. Este princípio, ainda p ouco e x p l o r a d o por trabalhos cie ntí fic os, revela-se bastante promissor. O p r i n c í p i o baseia-se na i dent I f i c a ç ã o e m e d i ç ã o de fronteiras de peçãs atr a v é s da u tilização de um feixe de dlodo laser com d i â m e t r o de 30|jm, fotodetetor e e l e t r ô n i c a de p roc ess ame nto de sinal.
Um protótIpo fun eio n a I de apalpador, utIIIz and o este prIncíplo, foi projetado, c o n s t r u í d o e qual I ficado através de u ma b a n c a d a especial de ensaios.
Os resultados dos e n s a i o s realizados mos t r a m que o p r o t ó t i p o é capaz de d e t e r m i n a r a coordenada da borda de uma peça, com uma repet i b i I I dade na o r d e m de ±0.4iim. Qu ant o ao erro s ist emá tic o, o protótipo m o s t r o u - s e sensível ao raio de curvatura da s u p e r f í c i e da peça, com um e rro na o rdem de 15um oara diâmetros de 0.5 a 10mm, compensáveis por xnftware. Acima de 10mm a v a r i a ç ã o do erro
ABSTRACT
This work p res e n t s a study of probes used in Coordi nat e M eas uri ng Machines (CMM). An o p t o e l e c t r o n i c probe has been d eve l o p e d for being a ppl ied in the me a s u r e m e n t of parts and profiles. Th ere is no mechanical contact w ith the part and it Is mea sured at a high rate.
The p rin ciple used in this probe is based on the interruption of a laser diode beam. A ph oto dio de and a specialized ci rcu i t r y acquire, pro ces s the signal and identifies the pos ition of the p a r t ’s board. The laser diode beam diameter is app r o x i m a t e l y 30pm.
i
A prototype has beam designed, built and qualified by using a special test bench.
The results of the tests show that the developed probe is able to me asure the pos ition of the p a r t ’s boards within ±0.4tim of repeatability. S y s t e m a t i c errors are influenced by the c urv atu re of the p a r t ’s surface, but they can be compensated by software after a special calibration.
GLOSSÁRIO
SIGLA CCD CMM CNC LED PC TTL D A S S I G L A S E A C R O G R A F I A S A D O T A D A S N O T E X T O INGLÊS Ch a r g e Co u p l e d Device C o o r d i n a t e Measuring Mach I ne C o m p u t e r N umeric ControlLight E mitting Diodes Personal Computer
T r a n s i s t o r - Transistor Log i cal
P ORTUGUÊS disposit ivo de carga assoe i ada
má qui na de medir por coordenadas
C o mando N umé ric o por Computa dor
d iodo emissor de luz computador pessoal
lógica de transis tor a trans i stor
1 - IWTRODUCfo
O cr esc e n t e d e s e n v o l v i m e n t o industrial, com as linhas de pr odução das fáb ric as cada dia m a i s di nâm ica s e flexíveis e o a umento das ex igê n c i a s de qual idade e produtividade, g eram a necessidade de uma me di ç ã o e inspeção c a d a vez m a i s c r i t e r i o s a e confiável.
Para a te n d e r aos rígidos requisitos impostos à medição e inspeção, estas têm so f r i d o um a va n ç o vertiginoso, baseado no d e s e n vol vim ent o da eletrônica, optoeIetrônI ca, m e c â n i c a fina, comput açã o e robót i ca.
Dentre os sis tem as de m e d i ç ã o e inspeção, um que tem se d est aca do bastante, por sua ver satilidade, univers ali dad e e pre cisão é a Má q u i n a de Medir por C o o r d e n a d a s (C M M ). Um dos componentes vitais da CMM é o apalpador, que atua como sensor da posição de pontos da peça sob medição.
A o p t o e I e t r ô n i c a também tem a l a v a n c a d o o d ese nvolvimento na área de m e d i ç ã o e inspeção. D evido ao bar ate ame nto de seus componentes, hoje e n c o n t r a m - s e disp oní vei s no m e r c a d o v ários sistemas de me d i ç ã o que utII izam p ri ncí pio s ó pti cos e tem com o car acterística mar can te a a u s ê n c i a de con tat o m e c â n i c o com a peça e a elevada ve loc i d a d e de medição.
0 presente tra bal ho tem o intuito de conjugar a Máquina de Medir por C o o r den ada s com a optoeIetrônica; mais especificamente c om o apalpador optoeI etrônIco.
1.1 - O P T O E L E T R Ô N I C A NA M E T R O L O G I A GEOMÉTRICA
Com o adv ent o do laser, no início da década de 60, teve início uma revolução no campo da me t r o l o g i a que promoveu a criação de novos princípios de me diç ão baseados na optoeletrônica. C om o d ese nvo lvi men to das tecnologias associadas, hoje os si ste m a s o pto eIe trô nic os são relativamente de menor custo e com a g ran de vantagem de p r o p i ci are m me d i ç ã o sem contato. Outras van ta g e n s dos sistemas optoeI etrônicos, em relação aos sistemas mecânicos, são / 1 ,2/:
- facilidade de uso (sem preparação da superfície); - Incerteza de m edi ção relativamente baixa;
- f lexibilidade para ade quação da faixa de operação; - alta v e l o c i d a d e de medição/Inspeção;
- facilidade de automação;
- vel oci ada de de me diç ão ba stante alta; - me diç ão em lugares de difícil acesso;
- longa vida, baixo custo e baixa depreciação.
Os maiores pro ble mas en contrados na sua utilização são a poeira, no chão de fábrica - que pode provocar absorção de luz ou alterações no c ami nho óptico - e a iluminação ambiente - que pode interferir na referência luminosa do sistema. Esses pro bl e m a s podem
de ar, modulação, etc.
1.1.1 - Mét o d o s de M e d i ç ã o O p t o e l e t r ô n i c o s
Vários mét o d o s de m e d i ç ã o por princípi os optoeletrônicos foram desenvolvidos nos ú l t i m o s anos, a sua grande maioria só foi posta em prática com o d e s e n v o l v i m e n t o do laser. Para a m e d i ç ã o geométrica, os que m a i s se d e s t a c a r a m foram:
a) Medição por s o m b r a g e o m é t r i c a /3,4,5/
Na m edi ção por s o m b r a g e o m é t r i c a há a obstrução parcial da cortina de feixe laser pelo ob j e t o a ser medido, a dim ensão da peça é eq u i v a l e n t e a sua sombra. Na figura 1.1.a observa -se este princípio onde a d i m e n s ã o da peça é equivalente a região escura sobre o fotodetetor. Na figura 1. 1.b tem-se o mes mo princípio onde a di me n s ã o da p e ç a é eq uiv ale nte ao tempo que a região escura pe rm ane ceu s obr e o fotodetetor, já que há uma varre dur a pelo feixe laser sobre a peça;
b) M edição por t r i a n g u l a ç ã o /3,4,6- 9/
Na me dição por t r i a n g u l a ç ã o a d e t e r min açã o da distância dá-se pela dif er e n ç a nas p o s i ç õ e s de focalização do feixe de luz, sobre o f o t o d etet or de posição (fig. 1.2.a) provocadas pela
introdução de uma o u t r a peça ou pela mo vimentação da mesma. Na figura 1.2.b o b s e r v a - s e uma v a r i a ç ã o deste princípio, onde a detecção é feita por um a câmera CCD, utilizado na determin açã o de bordas de peças;
4 fotodiodo "array" cortina linear fotodetetor objeto sob medição Laser sinal de saída
Figura 1.1 - P r i n c í p i o de me dição por sombra geomét ric a /4/ a) c o n v e r s ã o sombra-intensidade
b) c onv ers ão sombra-tempo
c) M e d i ç ã o por interferometria / 1 ,3,10-16/
A m e d i ç ã o por interferometria tem por base dois feixes de luz coerent e (fig 1.3) emitidos pela da me sma fonte, que depois de pe rco r r e m cam inh os ópticos diferentes e serem r e c o m b I n a d o s , p r o p o r c i o n a m diferentes amplitudes devido as diferenças de fase e por c o n s e g u i n t e a diferença de comprimento dos caminhos ópt i c o s ; processador de sinal -(iprocessador b ) espelho rotativo lente coletora
fonte de luz
a espessura da peça
Figura 1.2 - P r i n c í p i o de m e d i ç ã o por triangulação a) p r i n c í p i o d a triangulação
b) v a r i a ç ã o d e st e princípi o para m e dição de c on t ornos
d) A utofoco / 3 , 17,18,19/
Nos sistemas por autofoco, a imagem da fonte luminosa é projetada sobre a s u p e r f í c i e da peça sob medição (fig. 1.4). Parte da luz re fletida pela superfície é retomada pela p rópria objetiva e é e ntã o concentr ada sobre um fotodetetor de intensidade. Q u a n d o a focalização vai sendo a tingida pelo deslocamento da objetiva, o sinal do fotodetetor vai ch eg a n d o
6
Figura 1.3 - M ed i ç ã o por InterferometrI a
a) Interferômetro de Mlchelson, freqüência simples / 1 2/
b) I n t e r f er ôm etro de Mlchelson, freqüêncI a dupI a /12/ c) Interferômetro heterodyne /13/
laser S ______ i I
superficie do objeto
» □
fotodetetor
Figura 1.4 - Pr inc ípi o de m e d i ç ã o por aut ofo co / 3/
ao máximo. No ponto de máximo, sa be- se que a objetiva e stá focal i zada. O s i stema pos Ic ionador da objet iva m ovim ent a a m e s m a de forma a buscar a focalização. Ao posiclonador Instala-se um sistema de med i ç ã o de deslocamentos.
1 . 2 - A P A L P AD ORE S
A máquina de me dir por c o o r d e n a d a s (CMM) executa a tarefa de m e dição fazendo uma c orr ela ção de alguns pontos definidos da peça com um sistema de c oor den ada s especial, normalmente o si stema coordenado cartesiano. A C MM tem como caracter íst ica s/c omp one nte s básicos (f ig. 1.5):
- mesa, para apoio das peças sob medição;
- guias, normalmente de granito, com suas respectivas escalas e I e t r o ó p t I c a s ;
- apalpador, que entra em co n t a t o com a peça para a correlação com o sistema de coo rde nad as cartesiano;
8 Controlador de
- unidade de tr at ame nto de sinal e indicação - es tação de leitura, contador, m e m ó r i a intermediária e computador (nas CMM 's mais sofIst Içadas) para aquisição e p r o c e ss ame nto das co ord ena das relativas a peça;
- motor e co n t r o l a d o r de posicionamento (nas C M M ’s mai s sof i st i c a d a s ), para executar os dev i dos movI m ent os para v arre d u r a da peça.
A função do ap alp ado r é o sensoriamento do ponto de m e d i ç ã o da peça para que a C M M correlacione diversos pontos da peça com o seu sistema de coordenadas. As coordenadas relativas a peça d e v e m ser s u fic ien t e s / c o n d i z e n t e s com as grandezas de interesse na mesma.
A evolução das C MM pr ov o c o u uma c o n s e qü ent e evolução dos apalpadores, dentre os de ma i o r u tII iza ção nos dias de hoje tem-se: - IocaIizadores rígidos, u tilizados em máq u i n a s operadas
m a nua lme nt e /20/;
- apalpador comutador, d i s p o s i t i v o que gera um trigger quando da
apalpação da peça, p ara que a m áq u i n a proceda a leitura das coordenadas;
- apalpador medidor, d i s p o s i t i v o e I e t r o- mec âni co que além de gerar um trigger para a máquina, gera um sinal proporcional a deflexão
do sensor, oc or r i d a ao tocar a peça /20/;
- localizador óptico, v o l t a d o para med içõ es com observação visual da Imagem da peça /20/;
- apalpadores o p t o e I e t r ô n i c o s , que o p e r a m b asicamente como o apalpador comutador ou medidor, a d ife ren ça está no fato de que não existe co ntato d i r e t o entre o sensor e a peça / 1 ,3,6,7,8,20/.
1.3 - P ROP OS TA DE T R A B A L H O / M O T I V A Ç Ã O
A grande m aio ria dos a p a l p a d o r e s o p t o e I e t r ô n i cos se encontra hoje a nível exp e r I m e n t a l / 1 a b o r a t o r i a l , com al gumas aplicações de uso comercial. A literatura sobre o assunto é bastant e limitada, especialmente no que diz respeito aos a pal pad ore s baseados no princípio de interrupção de feixé.
A proposta para o p r e s e n t e trabalho é o estudo de apalpadores optoeI etrônI cos, das c a r a c t e r í s t i c a s e c ompo nen tes a eles relacionados. 0 d e s e n v o l v i m e n t o de um p rot ó t i p o laboratorial de apalpador o p t o e l e t r ô n i c o e a q u a l i fi caç ão deste protótipo no que
diz respeito as car act erí stic as metrológicas, o p e r a c i o n a i s e físicas.
10
A motivação para tal desenvol vim ent o provêm da n e c e s s i d a d e industrial de sistemas m ais rápidos e confiáveis de medição, o que está de acordo com a proposta do apalpador. E tam bém um a contribuição no es tudo e d ese nvolvimento de sis t e m a s op toe Iet rôn icos aplicados, em especial à apalpadores.
2 APALPADORES E CCtflMTES OPTOELEIRÔNIOOS CONSTIMMTES
-Os apaIpad ore s sã o peça chave na versatiI idade da m á q u i n a de m edi r por c oor den ada s (C M M ). Neste capítulo ser á feita uma breve análise de alguns tip os/ p r i n c í p i o s daqueles dis pon íve is no mercado. Com especial at enção para os optoeIetrônI c o s , que a p r e s e n t a m faci I idades de uso, por exemplo, em s c a n n i n g de peças com geo me t r i a
compI exa.
Ta mbé m será f eit a uma análise de co mpo nen tes o p t o e I e t r ô n i cos passíveis de u t i l i z a ç ã o no des env o l v i m e n t o de um p rot ó t i p o de apalpador optoeIetrônIco.
2.1 - FUN ÇÃO DOS A P A L P A D O R E S
0 apalpador é o c omp one nte que, aco pla do ao braço de m e d i ç ã o da CMM, en tra em c o n t a t o com o ponto de m e d i ç ã o da peça (fig. 2.1) permiti ndo relaci ona r o ponto de co ntato com o s i s t e m a de co ord ena das da máquina. Este deve ser compatível com a CMM, no que diz respeito:
- ao a cop lam ent o mecânico;
- a co mun ica ção e tra nsferência de sinais - trigger ou proporcional
12 a c o p l a m e n t o T r a n s d u t o r a C M M _____ t, sinal S d e salda p r o p o r c i o n a l a d e f l e x ã otrigger C o n v e r s o r FMAM AdlAV t f sinal d e • en t r a d a 1 1 ponto de medição ' fronteira ■ da peça | ■ i ^ [diferentes form a s to-1 "sem contato I. I ^ . UXi.«X«9UWtfS t o x mSL9 / C o m c o nt a t o H -sonsor / [para d i f e r e n t e s t a r e f as ' M ---o n d e i F- f o r ç a v, A V - tensfio e l é t r i c a d , A d - d e s l o c a m e n t o
Figura 2.1 - M ó d u l o s de um apalpador genérico caracter íst ica s m e t r o i ógi cas ;
ca rac ter íst ica s funcionais, etc.
2.2 - A P A L P A D O R E S P A R A M Á Q U I N A DE MED IR POR C O O R D E N A D A S
Na figura 2.2 tem-se as principais caract erí sti cas de alguns tipos de apalpadores. O m ó d u l o transdutor está sendo c a r a c t e r i z a d o peio princíp io de sensoriamento, conversor e conversão. O sinal de saída refere-se ao sinal de c omu nic açã o com a CMM. O n úme ro de direções de apalpação diz res pe i t o ao número de eixos coor den ado s que o apalpador pode atender (1D, 2D e 3D).
A seguir serão a pre sentados, de ma nei ra sucinta, os tipos mais usuais de a p a l p ad ore s en contrados no mercado.
• Tr ans d u t o r Sinai de Sa ida I Nú mero de 1 direção
I
de [ a p a 1pação Princípio de sensor la mentoConvers or( es) C o n v e r s ã o
mecâni co
rígido haste rígida F-F bloqueio do(s)
elxo(s)
3
eletro mecâni co I i gádor co mut ado r el étr ico F-*V trigger3
R
eletro I mecân i coi medidor indutivo F-AV
trigger +
sinal
proporcional
1
,2,3
óptIco ópt i co d-»A d p a r a leitura ret 1c u 1 adovisual 1
o p t o e l e t r ô n i c o por
tr ian gul açã o d-AV
trigger + sinal proporcional
1
op toe le- t rôn i co op toe l e t r ô n i c opor aut ofo co d-AV
trigger + sinal proporclonal
1
o p t o e l etr ôni co por interrupção de feixe d-*V trigger1,2
I
onde: F = Força; V, AV = Tensão; d, Ad = des loc ame nto
Fi gura 2.2 - C a r a c t e r í s t i c a s de al gun s pr inc í p i o s de a palpadores
2.2.1 - A p a i p a d o r R ígido
O apaipador rígido é c omp ost o u n i c a m e n t e pelo sensor, a pr ópria haste rígida, é somente u t i l i z a d o em CMM com ope ração manual, pois pr oporciona tão somente um b loq u e i o nos eixos quando do toque com a peça. Com o c ara cterísticas pode-se citar: diferentes formas para
d i f e r e n t e s geometrias (fig. 2.3) e força de m edi ç ã o dependente do operador.
2. 2.2 - A p a l p a d o r C o m u t a d o r
O a p a i p a d o r comutador cha v e i a um sinal e lét r i c o - alto/baixo, a b e r t o / f e c h a d o * - após uma determinada def lexão do sensor, d i s p a r a n d o a rotina de leitura das c o o r d enad as da máquina. 0 c h a v e a m e n t o oc orr e n o r m a l m e n t e via mic r o c h a v e s (flg. 2.4), ou via d i s p o s i t i v o s pIe zo - e I é t r i c o s /20,21/.
No a p a l p a d o r comutador as coordenadas são d e t e r min ada s com o c h a v e a m e n t o das mi c r o c h a v e s do apalpador, sem que este contribua com uma p a r c e l a do valor a ser tido. A d e t e r m i n a ç ã o das coordenadas pode es tar afetada por erros do tipo /20,21/: na m e d i ç ã o dinâmica existe um a tra so entre o chaveamento e a e f e t i v a ç ã o da leitura; erro de chaveamento, ou seja, pela d i s p o s i ç ã o radial das chaves (fig.2.4) cr i a - s e d i f e r e n t e s deflexões para d ife re n t e s posições de c o n t a t o e n t r e o apa lpa dor e a superfície da peça sob medição, g e r a n d o um erro na pos i ç ã o de chaveamento.
A s p r i n c i p a i s vantagens deste apalpador são a m aio r velocidade que a l c a n ç a nos processos de medição, apesar do atraso no chaveamento - q u a n d o comparado, por exemplo, ao apalpador m ed i d o r - baixo custo, s i m p l i c i d a d e e a possibiI idade de utiIiz açã o em m á q u i n a s com e sem CN C (C o m p u t e r Numer i ca! C o n t r o l ).
8
\}
e
èp
3
P 1Figura 2.3 - Al g u m a s p o s s ív eis formas de apalpadores rígidos /20/
16 2.2.3 - A p a l p a d o r M edidor
O a pal pador medidor, ao tocar a peça, além de d isp ara r a rotina de leitura das coorde nad as da máquina, gera um sinal proporcionai a deflexão do seu sensor. A c o m b i n a ç ã o destes dois sinais fornece a efetiva c o o r d e n a d a em questão. 0 sinal também pode ser u s a d o para comandar a m á q u i n a e zerar a deflexão do apa lp a d o r e após isto proceder a leitura das coordenadas, neste caso a leitura é mais
lenta.
Cada eixo de m ed i ç ã o possui um m ó d u l o composto de m o l a e transdu tor de de s l o c a m e n t o indutivo (flg. 2.5), que fornece à m á q u i n a um sinal proporcional a sua de fle xão /20,22,23/. Na sua c o n s t r u ç ã o po dem ser empregadas duas co nfi g u r a ç õ e s mecânicas de molas: lâminas paralelas, m a i s usual, e membrana.
A medição pode ser: e s t á t i c a - onde zera-se a d e f l e x ã o do sensor do apalpador e procede -s e a leitura das c oor den ada s dos eixos da má quina - est a med iç ão n e c e s s i t a de mais tempo já que é n ece ss á r i o a imobilização dos eixos da m á q u i n a no ponto zero do apalpador; dinâmica - ond e a c oor de n a d a é dada pela c omb ina ção da leitura do apalpador e da m áq u i n a - est a proporciona uma leitura m a i s rápida, bastante u t i l i z a d a nas m e d i ç õ e s tipo scanning.
O apalpador medidor é u m dos apalpadores que possui a menor incerteza de med i ç ã o d e n t r e os comercialmente avaliados, e portanto, é um dos mais e m p r e g a d o s em m edi ç õ e s laboratoriais ou onde seja n e c e s s á r i o baixa incerteza do resultado.
1 - sensor 2 - haste 3 - membrana 4 - cápsula 5.8.10 - núcleos de ferrlte 6.9.11 - bobinas 7 - peça de junção 12 - d i s p o s l t i v o p a r a deslocamento da bobina Figura 2.5 - Apalpador m e d i d o r /22/ 2.2.4 - A p a l p a d o r óptico
O apalpador ópt ico ou pu ram ent e óptico èstá baseado nos princ ípi os da óptica geométrica, com as m esm as funções de um m i c r o s c ó p i o de medição ou de um projetor de perfil (fíg. 2.6), ou seja, é um disposi tiv o para medição visual da peça. Através da f o c a l iza ção d a _
imagem sobre reticulados de leitura visual, d e t e r m i n a - s e as dimensões da peça.
A m edi ção com este a pal pador é bastante demorada e tem sua incerteza de med içã o afetada p elo operador.
M I C R O S C Ó P I O C E N T R A D O R PROJ ETOR C EN TR A D O R
aumento: 30X aumento: 15X
campo de visão: 5.3mm - campo de visão: 6mm
- d i s t â n c i a de trabalho: 50mm - distância de trabalho: 16mm
Figura 2.6 - A p a l p a d o r e s ópticos /20/
2.3 - A P A L P A D O R E S OP T O E L E T R Ô N I C O S
Os a p a l p a d o r e s op toe let rôn lco s estão sendo empregados, não em detrime nto do s convencionais, mas sim, em s itu a ç õ e s onde seja necessário a l g u m a car act erí sti ca especial do tipo: m e d i ç ã o sem contato de peç as delicadas, m edi çõe s de peças c o m geometrias complexas e m e d i ç õ e s do tipo s can n i n g com alta velocid ade . Para
tal, já e x i s t e m alguns princípios sendo bas tan te e m p r e g a d o s e de boa a c e i t a ç ã o comercial.
2.3.1 - A p a l p a d o r M ed i d o r por Tr i a n g u l a ç ã o
0 princípio da triangulação prevê a em iss ão de um feixe de luz, normalmente laser, sobre a superfíc ie sob medição, parte do sinal
refletido é c a p t a d o por um fotodetetor de posição (fig. 2.7). Qu and o do d e s l o c a m e n t o dessa s upe rfí cie ocorre um d e s l o c a m e n t o do ponto focado s o b r e o fotodetetor, sendo este de s l o c a m e n t o proporcional ao d e s l o c a m e n t o da superfície /20,24,25/.
Este p rin cíp io p r e s t a - s e b astante bem para a exe cu ç ã o de s c a n n i n g
em peças com g e o m e t r l a s complexas. Com uma Incerteza de m e d i ç ã o maior ou igual a ±7nm, que é função da faixa de o p e r a ç ã o /8,26,27/.
2.3.2 - A p a l p a d o r M e d i d o r por A u t o f o c o
Em um ap alp a d o r m e d i d o r por autofoco, um feixe laser é f o c a li zad o sobre a s u p e r f í c i e da peça (fig. 2.8). A luz d ifusa sobre a peça é retomada por u m a o b j e t i v a (a m e s m a que focaliza o feixe sobre a peça) e p erc o r r e um caminho ó p t i c o até chegar ao fotodetetor. Através de um a lente móvel é possível a focalização do feixe laser sobre a s u p e r f í c i e da peça. Q u a n d o a focal ização é a t i n g i d a o sinal do fotodetetor é m áximo, e e ntã o é disparada a rotina de leitura das c oo r d e n a d a s da máquina. A c o p l a d o a lente móvel existe um transdutor de desloca men to, que gera um sinal proporcional ao seu deslocamento. C o m a c omp os i ç ã o do sinal do tr ans d u t o r e as coordenadas da m á q u i n a é possível obter as c o o r d e n a d a s relativas a peça / 3 ,20,24,28,29,30/.
Os apalpadores, que u til i z a m este princípio, a p r e s e n t a m uma incerteza de m e d i ç ã o da ordem de ±1|jm /3/ e com um a resolução que, em casos especiais, pode chegar até 2nm /30/.
20
Figura 2.7 - Esquema do apalpador por triangulação /24/
2 .3. 3 - A p a l p a d o r p o r I n t e r r u p ç ã o de Feixe
É um s i s t e m a que p e r m i t e o re con hecinmento de frontei ras c l a r o /esc ur o em o bje tos , com precisão. Tem seu p r i n c í p i o de fu nci ona men to b a s e a d o em um "condutor" de luz (fibra óptica) ac opl ado a um f o t o d e t e t o r (fig. 2.9). C o m a m o v i m e n t a ç ã o em torno da pr oje ção da p e ç a sob medição, d ete rmi na- se o local e f e t i v o da fronteira. Se ess e sinal de saída for sincroni zad o c om o eixo de m o v i m e n t a ç ã o te m - s e a c o o r d e n a d a da mesma. Faz-se uma v a r r e d u r a ao longo da p r o j e ç ã o da peça, e de ter min a-s e várias dessas transições.
É então possível d e t e r m i n a r a g e o m et ria de peças r e g u l a r e s como
círculos, retas, diâmetr os, ou de chapas /24/.
2.4 - A N Á L I S E C O M P A R A T I V A DOS A P A L P A D O R E S
Na figura 2.10 t e m - s e um c o m p a r a t i v o entre os a p a l p a d o r e s acima descri tos.
Outras v a n t a g e n s da u t i l i z a ç ã o dos ap alp ado res o p t o e l e t r ô n i c o s são / 2 4 / :
- alta fl exi bil ida de, e m vista de diferentes tarefas; - v elo cid ad e de m e d i ç ã o ba stante alta;
- conceito de s i s t e m a rob usto p a r a integração no c h ã o de fábrica; - interface adaptável para c o m u n i c a ç ã o h o m e m / m á q u i n a ou
máqu i na/máquI n a ;
22
F o n t e d e l u z
s a l d a
Figura 2.9 - A p a i p a d o r op toe ietr ôni co por interrupção de feixe
H Apalpa- dor C o m u tador M e d i dor ó p t i co Op toe l e t r ô n i c o s Ca r a c ter í s- 1 ticas R í g i do TrI an gu 1 a- ção Auto-foco Inter rupção de feixe
---Atri to sim sim ■s i m não não não não
Automa-
t i z á v e 1 não s i m s i m não sim sim sim
Cond I - | ção de J leitura está- 11 ca dinâ- mi ca d i nâ- mi ca está- t i ca d i nâ- m i ca está- t i ca d i n âmlc a 1 Ve Ioc i- I dade de 1 medição - ai ta ba i xa - al ta méd i a al ta
1 Custo bai xo m é d i o al to méd i o mé d io méd i o bai xo
I
Im do 1 princí-9 P ioa I ta mé d i a ba i xa bai xa al ta ba i xa
C o m relação ao apa lp a d o r por Interrupção de feixe, verIflca-se que é um princípio p ouc o explorado - segundo e s t u d o bib liográfico - mas que possui boas características, quando c o m p a r a d o aos outros (flg.
2.1 0).
Este pr inc ípi o g u a r d a certa relação com o m é t o d o de me d i ç ã o por sombra geométrica. Ou seja: naquele tem-se um espelho rotativo fazendo uma v a r r e d u r a do feixe laser sobre a peça; neste a v a r r e d u r a é feita peio braço de m e d i ç ã o da CMM portanto, sua incerteza de m e d i ç ã o pode ser c onsiderada da o r d e m daquele, ±1pm / 3 ,24/.
2.5 - D E S C R I Ç Ã O E A N Ã L I S E DOS C O M P O N E N T E S O P T O E L E T R Ô N I C O S PA RA O A P A L P A D O R DE INTERRUPÇÃO DE FEIXE
A seguir será a p r e se nta da uma análise té cni ca do d iodo laser e fotodetetor, bem como a det erm ina ção de suas principais características. Isto com o intuito de av ali ar a adequabIIidade para a c o n s t r u ç ã o de um apalpador o pto eletrônlco.
2.5.1 - Diodo Laser
O dispositivo semicon dut or possui uma ca m a d a de material tipo n -
com portadores neg ativos ou elétrons, e o u t r a tipo p - com
Figura 2.11 - En cap su Iam ent o e estrutura do diodo laser /31,32/
Importante para def ini ção de suas características é a junção entre elas. Apl Icando uma tensão negativa no material tipo n e uma tensão
positiva no material tipo p cria-se uma corrente, que p assa pela junção / 3 1 ,32/.
Na junção, os elétrons livres do material tipo n são "apanhados"
pelas lacunas do material tipo p, gerando e ner gia num processo chamado r e c o m b inação. Em semicondutores feitos com material a base de germânio e silício, a energia gerada se transf orm a em calor. Em
outros, tipo AlGalnP, G a A s ,. Ga,.xAlxAs, e t c . , grande parte dessa e n e r g i a é transformada e m fótons.
O proces so de geração de fótons ocorre em LEDs ( Iight-emittíng diodes) e semicondutor laser ( iight ampl i f I c a t i o n b y stímulated
emission of radiation) para geração de radiação luminosa.
Entretanto, nos laser e xiste uma cavidade ressonante composta por dois espelhos parciais dispostos paralel ame nte um ao outro e localizados nos ext re mos desta cavidade /33/, provocando a am p l i f i c a ç ã o da emissão de luz.
Na figura 2.12 ob ser v a - s e a curva c a r a c t e r í s t i c a do diodo laser. No primeiro quadrante, tem-se a pot ênc ia de saída em função da corrent e de entrada - i^ (corrente de polarização, tipicamente da or dem de 60mA). No q u a r t o quadrante, tem-se a curva de tensão x corrent e - Vop (máxima tensão per mit ida sobre o componente, tipicam ent e da ord em de 2V). No segundo quadrante, pode-se obter a resposta em corrente do fotodiodo de controle - elemento, us ual men te colocado na parte traseira do diodo laser, para m o n i t o r a r a potência de saída deste (fig. 2.11). A região clara de lim i t a d a pelas linhas pontilhadas da figura 2.12, refere-se a
região típica de u t i l i zaç ão do diodo laser.
2.5.2 - Caracter íst ica s do Diodo Laser
A car acterização técnica básica do diodo laser pode ser feita co nforme a figura 2.13. C a d a uma das c a r a c te rís tica s será detalhada a seguir.
26 . potencra1-’luminosa : 1
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S M '
;i' t ens ã o . <5s . 'apliCãday;.-'. .•
:■•,
»Fi gur a 2.12 - Cu rva de funcionamento e resposta do d iodo laser 732/
3
El étrica Me dição da potência de saída, a q u e d a de tensão, e a corrente do fotodiodo de controle. A análise derivativa destas c a r a c t e r í s t i c a s fornecem dados de seu desempenho.EspacI ai 0 perfil da Intensidade luminosa de s a í d a nos campos próximos e distantes e a divergência. Espectral Dados espectrais são usados para c a l c u l a r a
largura da linha espectral e o c o m p r i m e n t o de |
onda c e n t r a l . 1
óptI ca As t i g m ati smo e outros erros na frente de onda. I Di nâm ica Ruído, distorção de interm odu 1 ação, tempo de
subida, tempo de descida, etc.
a) E lét r i c a
As c a r a c t e r í s t i c a s e l é t r i c a s estão basicame nte d i s c r imi nad as no I tem 2.5.1.
b) Espacial
O d iodo iaser não e mit e um feixe laser co li m a d o e s i m um cone divergente, que possui ângulos da o rde m de 30° e 12° nos eixos p e r p e n d i c u l a r e p a r a l e l o a região ativa do laser, re s p e c t i v a m e n t e /34/. N u m corte transversal do feixe laser, ob tem -se a figura de um a elipse com perfil gaussiano, devido as di fer ent es d i m e n s õ e s na cavidade ativa do laser - tipicamente de 300 a 6 0 0 p m de comprimento, 4 a 10um de largura e 0.1 a 0.5iim de alt ura /32/. O u t r a importante c a r a c t erí sti ca é a divergência espacial, ou seja, q u a n t o o feixe iaser o s c i l a e m torno de um eixo que p a s s a por sua referência, tipicamente o v a l o r do ângulo formado é de 1o , mas pode chegar até 4o /34/.
c) Espectral
La rgura Espectral e/ou Comprimento de Coerênc ia. Existem ba sic ame nte dois tipos de emissão espectral p a r a di odo laser: m o n o m o d o e multlmodo. No monomodo tem-se um c o m p r i m e n t o de onda central bem definido, no caso do multimodo, o c o m p r i m e n t o de onda central " d i s p u t a ” a emissão com outros c o m p rim ent os de onda, que também são emitidos pela cavidade laser /34/. Um co m p r i men to de c o e r ê n c i a máximo para os a tua is d iodos laser mo no m o d o é da ord em de 14 a 15m /35/.
d) Var iaç ão do c o m p r i men to de on da (L a s í n g W a v e l e n g t h )
É a m u d a n ç a do co mpr im ento de onda e m i t i d o pelo di odo laser. Dois fatores são responsáveis por esta mu dan ça: a a l t e r a ç ã o na corrente de op era ção e a variação na t e m p e r a t u r a (fig. 2.14). Na figura 2 . 1 4 . a percebe-se que o c o m p r i m e n t o de o n d a possui modos (patamares) de op era ção em d i f e r e n t e s c o m p r i m e n t o de o nda que, no caso, são dependentes da corrente. O c o e f i c i e n t e típico para este caso é 10’3nm /mA em lasers de 8 3 0 n m /34/. N a figura 2.14.b, tem-se esta dependên cia em r el a ç ã o a temperatura. O coeficiente típico para o caso é 0.25nm/°C e m dis p o s i t i v o s de 780nm / 3 4 / .
e) óptica
Para aplicaçõ es onde é necessár io a focal Ização do feixe deve-se ter ci ência do astigmatismo presen te nos d iodos lasers. Astigmat ism o é uma caracte rís tic a p r o v e n i e n t e da apa r e n t e emissão do feixe laser em pontos dis tin to de ntr o da c avi dad e laser. Isto causa a foca lização do feixe e m pontos distintos, por exemplo, para as orienta çõe s normal e p a r a l e l a ao feixe (fig 2.15), resultando numa " nuvem” focal /32,35/.
f) Dinâmica
Ruído ou instabiI idade de potência, é a f l u t u a ç ã o da intensidade do sinal de saída. Tem por origem a o s c i l a ç ã o da c o r r e n t e na junção pn, a os cil açã o da temperatura, e os " p u l o s ” dados entre os modos de operaçã o do comprimentos de onda, que por sua vez tem or ige m na flutuação da t e m p e rat ura e corrente. C o m o a potência de saída é diretamente proporcional a corrent e injetada na junção, deduz-se que, com a o s c i l a ç ã o desta, o c o r r e também
a) b)
Figura 2.14 V a r i a ç ã o do compr ime nto de onda do diodo laser /33/ a) em função da corrente de operação
b) em função da temperatura
a os cil a ç ã o da pot ência luminosa na saída. O b s e r v a n d o - s e a figura 2.14 percebe-se que e xistem cer tos "modos" pre fer enc iai s de co mpr ime nto de o n d a emitidos pelo d iodo laser - fato explicado pela teoria do ressonador de F a b r y - P e r o t /33,36/. Cada "modo“ tem um padrão de energia, e s u p o n d o - s e qu e a p o t ê n c i a de entrada do d iodo laser não oscile, há uma o s c i l a ç ã o na potência de saída do d iodo para compensa ção da o s c i l a ç ã o devido a competição de modos. E como já foi dito, a c o n c o r r ê n c i a entre modos é pr o p i c i a d a pelas alterações de c o r r e n t e e temperatura. Para o caso típico, a flutuação da p o t ê n c i a do laser não é maior que 10* do nível dc /37/. Na figura 2.16, v ê - s e u m ca so típico
da v ari açã o da p otência em função da c o r r e n t e e temperatura. Através de st a figura pode-se inferir q u e c o m a fl utu açã o dinâmica da c orr ent e e temperatura t em-se t a m b é m uma f lut uaç ão da po tência luminosa de saída do laser.
2.5.3 - F o t o dete to r
0 fotodetetor é um transdutor de estado sói ido u s a d o para con verter e n ergia luminosa em energia elétrica. Q u a n d o u m par e l é t r o n - l a c u n a é gerado, dentro de uma junção pn, pela a b s o r ç ã o de um fôton, o campo elétrico interno c ausará a se par a ç ã o des te par elétro n- lacuna, p rov oca ndo o surgimento de uma tensão ou c orr ent e elétrica, dependendo das condições externas do d i s p o s i t i v o /36/.
V árias técnicas para a fabricação de f o t o d e t e t o r e s têm sido desenvolvidas, entretanto, para d i s p o sit ivo s de a l t a resolução, a construção por difusão p lan a - mais u t i l i z a d o em f o t o d e t e t o r e s de
potência luminosa de saida (mW) 20 °C 30 °C -40 °C 50 'C 60 °C 10 5 100 150 200 corrente aplicada (mA)
Figura 2.16 - V a r i a ç ã o da potência luminosa de saída do diodo laser em função da corrente e temperatura /36/
intensidade - e a por barreira Sch ott ky - mais ut ili z a d o em fotodetetores de pos i ç ã o - são as mais empregadas /38/.
Dispositivo de d i f u s ã o plana são produzidos pela di f u s ã o do boro (dopante do tipo p ) e fósforo (dopante tipo n), dentro, em lados
opostos, de um material a base de silício de alta resIstIvidade, ou intrínseco, f o r m a n d o o chamado fotodiodo PIN (fig. 2.17). Sua utiIização é p r e d o m i n a n t e em dispositivos de área pequena ou média, pois proporc ion am b a i x o ruído e excelente estabilidade /38/.
2.5.4 - Modos de o p e r a ç ã o e características do fo tod ete tor de i ntens i dade
32
Fi g u r a 2.17 - E str utu ra do fotõdiodo PIN /38/
- fo t o v o I táico, se o disposi tiv o é ma nti do em c i r c u i t o aberto, uma determi nad a tensão aparece nos terminais p e n;
- fotocondut i vo, se o d i spos i t i vo est i ver curto-c I rcui tado, ou mai s usualmente, ope ran do sob uma tensão reversa, uma cor rente fl uirá entre as regiões p e n /36/.
C o m o principais caracte rís tic as do modo de o p e r a ç ã o fotocondutIvo, com relação ao fotovoItáico, citam-se /36,39/:
- rápido tempo de resposta; - baixo ruído;
- maior faixa dinâmica; - linearidade de resposta; - boa estabilidade.
E para o modo de operação fotovoI táico /39/: - u ltra alta impedância;
- sem cor r e n t e de escuro.
A se gui r far -se -á uma an áli se das princi pai s ca rac ter íst ica s dos f o t o d e t e t o r e s de intensidade.
a) R e s i s t ê n c i a S h u n t , Rsh
U m f o t o d i o d o pode ser representado por uma fonte de corrente com uma resis tên cia shunt em parai elo e uma r e s i s t ê n c i a série R$ em
sé rie (fig 2.18). Idealmente ter-se-ia R$(, = ® e R$ = 0 /40/. R e s i s t ê n c i a shunt é equivalente a rampa na o r i g e m da curva I-V
(fig. 2.19). Em fotodetetores o t i m i z a d o s para operação fo t o c o n d u t i v a a r e s i s tên cia shunt tem boa p r o x i m i d a d e da ideal,
ou seja Rsh - ®. Agora, para os fotovol tai cos, a magnitude da re s i s t ê n c i a shunt está diretamente r e l a cio nad a c o m o ruído e a
linearidade de resposta /41/. Exemplo: Rs|, = 10MQ /40/.
b) R e s i s t ê n c i a Série, Rj
É d i r e t ame nte de pen d e n t e da r e s l s t Ivid ade do silício ( t i p i cam ent e de 8 a 400 0Q - c m da e spe ssu ra da á rea ativa /AZ/)
da t ensão de opera ção e da qualidade do con t a t o c om os eletrodos / 4 2 ,40/. R esi stê nci a série é um importante p arâ metro a ser c o n s i d e r a d o em o p e r a çõe s de alta f req üên cia /42/, e apresenta como v a l o r típico de 50 a 500Q /40/.
c) C a p a c i t â n c i a de junção, Cj
Cr e s c e com o aumento da área ativa e de cr e s c e com o aumento da tensão de polarização. A capacitância de junção, e m conjunto com a re sis tên cia de en tra da e a resist ênci a série, produz a co n s t a n t e de tempo RC do sistema, que a f e t a r á o tempo de
R .= resist e nci a "s
sn ^ r .
C c a pac it an ci a de junçao J 1 A A /*/
R g» resis t enc ia serie
R|_= resistencia de carga Vp= tensão de saida IQ= corrente de saida
Figura 2.18 - Ci rc u i t o e q u i v a l e n t e de um fo todiodo PIN /40/
c a rga /resposta do f o t o d i o d o /42/. A c a p a c i t â n c i a de junção é tipicamente 3 0 0 0 p f / c m 2 @ V=10V na ár ea ativa /41/. Sua d e pendência com a t e m p e r a t u r a pode ser d e s c o nsi der ada para a maioria das ap lic açõ es práticas.
d) Ca rac te r í s t i c a s I-V
A figura 2.19 m o s t r a uma cur va I-V típica do fotodiodo. A linha pontilhada, a d i r e i t a do e ixo das or den ada s d e I i m i ta a operação no modo fotocondutIvo. A esq u e r d a do eixo das ordenadas, en contram-se as Iinhas p o n t i l h a d a s dei imitadoras da operação no modo fotovoltáico. N u m a c o n d i ç ã o de total e scur i d ã o sobre o fotodiodo aparece uma corrente, den omi nad a c o r r e n t e de e scuro (f ig. 2.19) que é função da p o l a r iza ção aplicada, da temperatura e da área ativa de recepção. P erc ebe -se que esta corrente
influencia somente o m o d o de op er a ç ã o f oto c o n d u t i v o /40/.
e) Responsl vid ade
A responsIvidade de um f o t o d i o d o é a m e d i d a de sua senslbi I idade à luz e é definid a como a razão da fo toc orr ent e (ampére) para a potência luminosa incidente (Watt). A responsividade m áxi ma
i = corrente produzida pelo fotodiodo (Amperes)
Figura 2.19 - Curva (I-V) c a r a c t e r í s t i c a dos fotodiodo s /40/
ocorre entre 850 e 950nm, par a os fotodetetores de Silício, e é tipicamente 0.3 a 0 . 5 A / W no pico /40/. A res ponsividade varia com a va riação do c o m p r i m e n t o de onda e m u i t o pouco com a va ria ção da tensão e temperatura. O silício tem diferentes índices de reflexão e ref r a ç ã o para diferentes comprime nto s de onda, afetando as sim ^ res pon siv Ida de do fotodiodo. Para o caso da tensão aplicada, e sta af e t a o processo de c o l e t a de pares eIétron-lacuna. Já a temperatura, provoca uma mudança nas constantes ópticas da c é l u l a e também no p r o c e s s o de coleta.
f) C i r c u i t o Equivalente
A figura 2.18 mo s t r a o c i r c u i t o equivalente para os fotodiodos de silício. Na figura são vistos todos os parâmetros característicos do f o t o d i o d o e sua d is t r i b u i ç ã o segundo um
di agr ama elétrico. O s p a r â m e t r o s do ci rc u i t o estão relacionados com o tempo de resposta d o f o t o d i o d o que é tipicamente menor que 100ns para o f oto c o n d u t l v o e m a i o r que 90ns para o fotovoltálco / 40/.
g) R u í d o
Os ruídos presentes num f o t o d i o d o têm b a s i c a m e n t e duas fontes: o ruído de c o r r e n t e.(s h o t c u r r e n t n o i s e ) no próprio fotodiodo
e o ruído térmico. O ruído s hot e s t á relacionado com a corrente
de escuro, ou com a c o r r e n t e re ver sa que pas sa pelo dispositivo. A corrente de ruído t ér m i c o pod e ser g e r a d a na resistência série, resistência s hunt e r e s i s t ê n c i a de carga, esta pode ser
calculado pela fórmula de ru ído Johnson:
36 , _ A K . T . B (2.1) M R onde: K = constante de Bol tz m a n n (1.33 x 10-23 J/K) T = Temper atu ra (K)
B = Largura de bando do ruído (Hz) R = Resistê nci a em q u e s t ã o
h) NE P (Noise Equiva l e n t P o w e r )
É a figura de mé r i t o u s a d a p ara determin ar o mínimo sinai detectável, ou seja, para p r o d u z i r um a corrente igual a c o r r e n t e de ruído gerada pel o fotodiodo. S e u valor típico é /42,40/: < 5 x 10'^WAfHz ô fotocondut ivo e < 5 x 10'^W//Hz @ fotovoltálco.
3 - DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO DE APALPADOR OPTOELEfflÔNIOO
P a r a o d e s e n v o l v i m e n t o do apalpador optoeIetrônico, utllizou-se o pr inc í p i o do apalpador por interrupção de feixe, com a lte ração no que diz r e s p e i t o a detecção das fronteiras claro/escuro, que na quele se dá pela projeção do perfil da peça sobre um anteparo, o b t e n d o - s e suas fronteiras com o s e n s o ria men to d e s t a projeção. N est e o s e n s o r i a m e n t o é feito por um fotodetetor que m o n i t o r a um feixe laser que é o b s t r uíd o/d eso bst ruí do pela p r ó p r i a peça sob me d i ç ã o .
Na figura 3.1 tem-se uma visão do ap alpa dor a ser d e s e n v o l v i d o - ap alpador o p t o e I e t r ô n i c o b i d i r e c i o n a i . O apalpador é constituído ba s i c a m e n t e por um arco rígido, um emissor e um receptor de feixe laser. P elo d e s l o c ame nto do apalpador, nas direções perpend icu lar es à de pr o p a g a ç ã o do feixe, ao longo da peça sob medição, consegue-se de ter min ar todas as grandezas de interesse relaci ona das ao perfil da peça.
3.1 - C A R A C T E R Í S T I C A S DESEJÁVEIS
Pa ra um bom desempe nho operacional, o apalpador deve ter algumas ca r a c t erí sti cas , a seguir delineadas.
38
Figura 3.1 - Esq u e m a do apa lpa dor o p t o e I t r ô n i c o de perfil para m á q u i n a de m e d i r por co o r d e n a d a s
Quanto ao o b j e t o a medir, o a p a l p a d o r deve p e r m i t i r a m e d i ç ã o de diferentes formas ( g e o m e t r i a s ) , s e m que para tal s e j a necessário a alteração de a l g u m p a r â m etr o ou a m o d i f i c a ç ã o de algum componente. Por suas p a r t i c u l a r i d a d e s - s e n s o r i a m e n t o por interrupção de feixe e p o s s i b i l i d a d e de m e d i ç ã o s e m c on t a t o - ele se presta, por exemplo, a m e d i ç ã o de: perfis no plano y-z, diâmetros, passo, ân gui o de flanco, diâ m e t r o de roscas, etc, ou seja, todas as peças passíveis de m e d i ç ã o em p r o j e t o r e s de perfis.
Quanto as car act e r í s t i c a s operacionais, o a pal p a d o r deve permitir uma me dição simples e rápida, b a s t a n d o fazer-se uma varredura programada ao longo dos eixos y e z. A v e l o c i d a d e de a pal paç ão deve
ser alta já que na uti li zaçã o de. um apalpador op to I etrôn I co a m e d i ç ã o é dinâmica.
N o que diz respeito as c a r a c t e r í s t i c a s físicas, o a p a l p a d o r deve at en d e r aos requisitos det e r m i n a d o s pela máquina, por exemplo: m a s s a dentro dos limites pe rmi tid os por esta (usualmente valores m e n o r e s que 850g /8,26,43/), tempo de resposta co n d i z e n t e com a ve loc i d a d e de a pal paçâo (para um caso típico de 5mm/s de ve l o c i d a d e de m edi ção e uma resolução de 0 . 1 pm, o apalp ado r deve ter u m tempo de resposta m e n o r que 2 0 (í s) , e d i m e nsõ es condizentes do e i x o para
u m perfeito a c o p l am ent o ao braço de m e d i ç ã o da máquina.
C o m relação as c ara cte rís tic as m e t r o lógicas, o apalpador d e v e ter c o m p a t i b i l i d a d e metro lógica com a CMM. Usualmente as m e l h o r e s m á q u i n a s do m e r c a d o ap res ent am uma incerteza de med i ç ã o na o rde m de ±1pm. C o m o em uma CMM o erro do ap alpador não é a ún i c a fonte de erro, este deve ter uma incerteza de med içã o aquém da incerteza da CMM, para que não compro met a o seu desempenho. Tendo- se p res ent e que a CMM, incluindo o apalpador, deve ser m etr o l o g I camente ad eq u a d a as tolerâncias e geom etr ias das peças a medir.
3 . 2 - D E S C R I Ç Ã O DO PROTÓTI PO
N a figura 3.2 apresenta-se u m di ag r a m a esquemático do p r o t ó t i p o a ser desenvolvido. Para um me lho r entendimento, o a p a l p a d o r foi d i v i d i d o e m módulos, a saber: gerador de feixe laser, t r a n s dut or e arco.
40
Figura 3.2 - Di ag r a m a esquemático do apaipador o p t o e I e t r ô n i c o e sua conexão com a CMM
A seguir será apr es ent ado o det alh ame nto de cada módulo, u m a explicação do fu ncionamento e uma análise genérica dos erros.
3.2.1 - M ó d u l o s
0 gerador de feixe laser gera um feixe laser c olimado e com a l t a densidade de energia, na ordem de unidades de m W / m m ^ . Isto é necessário para que se tenha o maior sinal luminoso (laser) possível, pois este sinal, e o elétrico correspondente, d e v e m ter o m íni mo ruído possível, sabendo-se que q uanto men or for o sinal menor será a relação sinal/ruído. Para isso, foi u t I I I z a d o um d i o d o
de alimentação. R e s s a l t a - s e que os dois últimos s u b m ó d u los não es t ã o acoplados ao arco.
O transdutor c o n v e r t e o sinal luminoso (feixe laser) em sinal e l é t r i c o padrão TTL. É co mposto pelos seguintes s u b m ó d u los:
- sensor - p r i m e i r o e s t á g i o na cadeia de medição, está em c on t a t o direto com a g r a n d e z a a medir - é o próprio feixe laser, p r o p i c i a n d o a m e d i ç ã o sem contato mecânico;
- diafragmas, para d i m i n u i ç ã o do diâmet ro do feixe laser, isto para aumentar a r e s o l u ç ã o do apalpador e para não permitir a p a s s a g e m de raios não p a r a l e l o s ao eixo óptico, que são fontes de erro; - fotodetetor, c o n v e r t e o sinal luminoso em sinal el ét r i c o
proporcional, é o c o m p o n e n t e chave do transdutor;
- p r é - a m p l i f i c a d o r , p ara ampIificação e fIItragem pr é v i a do s i n a l , deve ser de boa q u a l i d a d e para gerar o mínimo de ruído possível; - amplificador, a m p l i f i c a ç ã o do sinal, com ganho ajustável para
c o mpa tibilizar o sinal com o sinal necessário para o filtro e c o m p a r a d o r ;
- f iItro, para m i n i m i z a r os ru idos presentes no si n a l , os quaIs são fontes de erro;
- comparador, para c omp a r a r o sinal luminoso, já convertido, com um sinal de referência, que pode ser ajustado para ellmlna r-s e o erro sistemático;
- lógica TTL, c o n v e r t e o sinal analógico em sinal digital, co mpa tib il i z a n d o - o com a entrada de sinal da CMM;
- fonte de alimentação, fornecimento de energia para os diversos submóduI o s .
Destes módulos, s o m e n t e os diafragmas e o fotodetetor estão acoplados ao arco.
A r c o em formato de "U", para p ossibilitar o ’’e n v o l v í m e n t o ” da borda da peça com o mesmo, ou seja, pode-se fazer a varredura do perfil da peça pela simples m o v i m e n t a ç ã o do a p a l p a d o r sobre a mesma.
3. 2.2 - Fun ci ona men to
Para o e nt endimento do fune Ionamento do apalpador, pode-se ob servar a figura 3.1 e 3.3. O apalpador m o v i m ent a-s e acoplado ao braço de m e d i ç ã o da máquina, qu and o este "toca" a peça o feixe laser começa a ser Interrompido e há um d ecaimento gradual na intensidade luminosa incidente sobre o fotodetetor (fig.3.3). Conseqüentemente, há o decaimento do sinal na saída do amplificador. Qu and o o feixe está interrompido pela metade, o sinal elé trico na saída do am plificador também est á na met ade do sinal m á x i m o (claro) e torna- se igual ao sinal de referência. No instante seguinte aquele está me n o r que este e o com par a d o r chaveia, p r o v o c a n d o a queda do sinal na sua saída e a partir disto a lógica T T L gera um pulso que dis pa ra a rotina de leitura das c oordenadas da máquina. O feixe permanece interrompido durante toda a pa ss a g e m pela peça, com os sinais analógicos em baixa (escuro). Q u a n d o o feixe começa a ser desobstruído, os si nais analógicos com e ç a m a subir - p rocesso inverso a obs tru ção - e geram um novo pulso TTL, que novamente di spara a rotina para leitura das c o o r d ena das da máquina. Co m o processa men to dessas coordenadas é possível a obten ção da dimensão
(em questão) da peça.
Peça sob medição (aqui rebatida de 90°) Feixe Laser .... <W) 11 Po — lntensj.da<^e ^ . u m i n o s a d o d i o d o lasejj (W) PO A (y) 11 re f-Vo Vo Intensjdacjle } u m i n o s a i n c i d e n t e n o JJot^detJetor J I S i n a l è l é t z i c o a n a l ó g i c o n a s a l d a d o a i n p í i f i c a d o z l i i I (V) 5V 11 s i n a l èlél ;zico n a s a i d a d o c o m p a x a d o r ►d (V) ! i ; : ; :
11 Si n a l el6tjric<i T T^ (triggers de atuaç&o no ^ist^na |àe m e d i ç & o d a CMM)
Tempo de obstruç&o! do £eixe pela peça'
Tempo equivalente a dimene&o da peça sob mediçSo Feixe interrompido p e l a pe ç a , T e m p o d e d e s o b s t x u ç & o 1 d o f e i x e p e l a p e ç a
Figura 3.3 - Princípio de funcionamento do apa lpador optoeIetrônIco e sua c omu nica ção co m a CM M
44 3. 2 . 3 - Fontes de Erro
C o m o quesito básico p a r a o bom funciona men to do apalpador deve-se procede r ao a l i n h ame nto entre o apalpador e a peça sob medição, pa ra que não o co rra m erros de 1a ordem (cosseno). A figura 3.4 m o s t r a um exemplo de co mo pode acontecer este tipo de erro e como ele pode afetar os v a l o r e s medidos. Este tipo de erro não será co n s i d era do no equacionamento, por entender-se que ele é dependente do operador e p r i n c i p a l m e n t e dos dispositivos disponí vei s para o alinhamento, ou seja, um a car ac t e r í s t i c a da CMM.
P a r a determinar as fo nte s de erro do apalpador propria men te dito, po de-se fazer uma a n á l i s e s egundo seus m ó d u l o s e submódulos. Na figura 3.5 tem-se um e s q u e m a das possíveis fontes de erros em cada um desses módulos/submóduI o s . Cabe ressaltar que perturbações ambientais, do tipo lufadas de ar e variaçõ es de temperatura e umidade, podem c o m p r o m e t e r o bom f unc i o n a m e n t o de todos componentes. Mas serão d e s p r e z a d o s no presente trabalho, devido ao rígido controle ambiental e xis ten te no laboratório de trabalho.
A fonte de alimentação do gerador de feixe laser pode provocar osc iI ações de tensão, pot ên c ia e ru í do que se transm i t i rão ao d i odo laser. 0 circuito de a l i m e n t a ç ã o e controle do diodo laser pode gerar oscilações na cor r e n t e e ruído que também vão afetar o de sem pen ho do mesmo. 0 di odo laser pode gerar instabilidade de potência e instabilidade espacial. E, finalmente, a parte ó ptica pode provocar aberrações no feixe laser. Des tas fontes, as que efe tivamente influenciarão são as que provocam a instabilidade de
0 medido » e real cos a
Figura 3 .4 - Erro de m e d i ç ã o de vido a um erro de p o s i c i o n a m e n t o
TRANSDUTCfl
r-OadlBçfio da tensão L-Huldo
Fonts
TTL Comp FttroAfnpDI
n
«ffüpSb" "“i... -Rsftexâo -Rofraçto do tempo Paca tob medição''"^' Aberrações J-■AbenaçfiM -Criação de novas frentes de onda ■flopt BLIGERADOR DE FEIXE LASER
Ctreults •Imantador controlador -Inatabilldade de potênda •fraiabildade espadai Fonts ^Osdlaçâes detanafio -Ruído -RuJdo •OacBaçOes na corrente
p o tê n c i a do.dlodo laser, já que serão efe t i v a m e n t e detectadas pelo fotodetetor. No caso da instabilidade espacial, esta é bastante m i n i m i z a d a pelos diafragmas, que perm ite m som ent e a passagem da parte central do feixe (« 1%), m a n t e n d o sempre constante o eixo óptico. As aberraçòes são eli min a d a s pelo fato de fazer-se uma ún i c a m o n t a g e m com calibração, e portanto não e x i s t i n d o movim ent o relativo entre os c o m p o n e n t e s ópticos.
No c ont ato feixe laser/peça (sensorlamento) pode aparecer o erro devido ao e spalhamento de luz, cau s a d o pela p e r t u r b a ç ã o da peça às frentes de o nda e l e t r o m a g n é t i c a s píanas, que p o d e m ser estudados como combin açã o de três fatores: reflexão, ref raç ão e d i fração / 4 4 / . Na figura 3.6 tem-se um es que ma de como isto pode ocorrer com um ciIindro.
A dl fração para casos em que o c o m p r im ent o de o n d a é muito menor que o diâmetro da peça (» 20 vezes), o feixe luminoso proveniente da sua borda é independente do material e da g eom e t r i a da secção (a rredondada ou aguda) /45/. Logo, a d i fração na bor da da peça não m u d a com a mudança do raio de cur vatura da peça. Portanto, da an alise da figura 3.7 - dif ra ç ã o na borda de u ma peça - pode-se dizer que existe uma a l t e r a ç ã o na p rojeção da sombra, que idealmente deveria co r r e s p o n d e r a um degrau com transição cl a r o / e s c u r o no eixo das ordenadas, trata-se de uma alteração sistemática, ou seja, p r a t i cam ent e Igual para todas as superfícies.
A reflexão na superfície da peça, provoca uma a lter açã o na curva da figura 3.6, onde, com o aumento do raio de curvatura, aumenta o nível dc no primeiro q uad r a n t e da curva, ten d e n d o a aumentar a
