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PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UMA MÁQUINA DE MEDIÇÃO POR COORDENADAS
AUTOMATIZADA
EDLEUSOM S. SILVA, LUIZ H. M. S. NÓBREGA, VERÍLTON N. SILVA, MARTILIANO S. FILHO
Laboratório de Metrologia, Departamento de Indústria, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia –
Campus Cajazeiras
Cep 58900-000, Rua José Antonio da Silva S/N Jardim Oásis – Cajazeiras – PB
E-mails:edleusoncz@gmail.com, henriquenobrega.ifpb@gmail.com, verilton.silva@ifpb.edu.br,
martiliano.soares@ifpb.edu.br
Abstract Measurements are made very naturally in our day-by-day and covers practically all branches of human activity. Cur-
rently, industry and other productive sectors could have not gotten in the way they are known today without reliable measure-
ments had been made before. Over the past years the market has become more competitive, which is why companies are invest-
ing heavily in products with greater quality assurance and low cost in their manufacturing process. In order to obtain results with
a high degree of reliability, Coordinate Measuring Machines (CMMs) are widely used in industrial metrology, because these ma-
chines are basically devices that measure the three-dimensional geometric characteristics of parts, having as one of the most im-portant elements the system probe (sensor for contact). This sensor provides the machine location information of the workpiece
surface relative to the machine coordinate system. From this idea was developed a prototype of an automated CMM using a touch
trigger probe, that it can be used in activities in the metrology laboratory at Federal Institute of Paraíba (IFPB – campus Cajazei-ras).
Keywords Automatic mensuration, Coordinate Measuring Machines, Metrology, Touch trigger probe, Dimensional quality.
Resumo Medições são feitas com muita naturalidade em nosso dia-a-dia e abrange praticamente todos os ramos da atividade humana. Atualmente, tanto a indústria como outros setores produtivos não poderiam ter chegado na forma como são conhecidos
hoje sem que medições confiáveis tivessem sido efetuadas antes. Nos últimos anos o mercado vem se tornando mais competitivo,
motivo pelo qual as empresas estão investindo fortemente em produtos com uma maior garantia de qualidade e baixo custo, em seu processo de fabricação. Para a obtenção de resultados com um alto grau de confiabilidade, as Máquinas de Medição por Co-
ordenadas (MMCs) são bastante utilizadas na metrologia industrial, pois, estas máquinas são basicamente equipamentos que me-
dem as características geométricas tridimensionais de peças, tendo como um dos elementos mais importantes o sistema de apal-
pação (sensor por contato). Este sensor fornece a máquina informações da localização da superfície da peça em relação ao siste-
ma de coordenadas da máquina. A partir desta ideia foi desenvolvido um protótipo de uma MMC didática automatizada que utili-
za um sensor do tipo touch trigger, para que a mesma possa ser usada em atividades no laboratório de metrologia do Instituto Fe-deral de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB – campus Cajazeiras).
Palavras-chave Medição automática, Máquina de Medição por Coordenadas, Metrologia, Sensor touch trigger, Qualidade
dimensional.
1 Introdução
Nas últimas décadas, o aumento da competição
vem mudando a forma com que as empresas abor-
dam os processos produtivos. Atualmente, em plena
era globalizada, a concorrência está ficando cada vez
mais acirrada. Não há mais espaço para produtos de
baixa qualidade. A qualidade dos produtos tem que
ser assegurada, o que só acontece quando os sistemas
de medição confiáveis forem utilizados no controle
da qualidade da produção. Com isso, a tecnologia de
medição por coordenadas também conhecida como
medição tridimensional é uma ferramenta que vem se
consolidando cada vez mais nos processos de garan-
tia da qualidade dos produtos em diversos setores de
produção.
De acordo com Ferreira (2007), as Máquinas de
Medição por Coordenadas (MMCs), vulgarmente
conhecidas como máquinas 3D, são equipamentos
que medem as características geométricas tridimen-
sionais de qualquer tipo de peças, elas vem desen-
volvendo um papel fundamental no que diz respeito
aos avanços que a metrologia dimensional tem obtido
nos anos mais recentes.
Este trabalho tem como finalidade fazer o levan-
tamento bibliográfico das MMCs, o projeto e desen-
volvimento de um protótipo, para fins didáticos, no
sentido de implementá-lo nos estudos de metrologia
dimensional aos alunos do IFPB campus Cajazeiras,
fazendo o levantamento de características metrológi-
cas da máquina, como a incerteza de medição. Para o
protótipo desta máquina, utilizou-se um sensor do
tipo touch trigger que também será abordado com
detalhes.
Nóbrega (2011) afirma que o preço de um apal-
pador de uma Máquina de Medição por Coordenada
representa um valor significativo em comparação ao
preço total da máquina, particularmente, para as
aplicações de alta exatidão. Neste sentido, surge a
pergunta: É possível, utilizando a tecnologia existen-
te para os apalpadores, desenvolver um sistema com
custo menor capaz de atender a demandas de deter-
minados processos de fabricação que exigem menor
exatidão? A resposta desta pergunta é a principal
motivação deste trabalho.
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2 MMC e sensor Touch Trigger: princípio de fun-
cionamento
A definição dimensional de uma peça é realizada
geometricamente em um espaço tridimensional,
sendo esse espaço caracterizado por três eixos per-
pendiculares entre si, chamados de X, Y e Z. Esses
eixos são os responsáveis por definirem o sistema
tridimensional. Tendo como referência tais eixos,
quando uma medição é efetuada, um ponto no espaço
é projetado no plano de referência, no qual é definido
suas coordenadas no plano X-Y, assim como uma
terceira coordenada no eixo Z, correspondente à
altura perpendicular aos outros eixos. A Figura 1
ilustra de forma clara o plano cartesiano com os três
eixos e um ponto, representando uma coordenada
obtida por uma medição efetuada.
Figura 1. Sistema de coordenadas tridimensional
As MMCs são compostas por um sistema de co-
ordenadas cartesiano em que os três eixos são linea-
res e perpendiculares entre si, como pode ser visto na
Figura 2. Entre as principais características deste tipo
de máquina destacam-se a robustez, alto grau de
estabilidade e também um bom volume útil de medi-
ção, associado a uma grande exatidão.
Figura 2. Eixos de uma MMC. Fonte: Nóbrega (2011).
Uma Máquina de Medição por Coordenadas é
formada basicamente por equipamentos mecânicos
(mesa de coordenadas, estrutura de sustentação,
mancais, eixos guia e acionamentos), equipamentos
eletrônicos (controladores, servomotores, cabeçote
apalpador e circuito de controle), e equipamentos
ópticos (escalas de medição optoeletrônicas), com o
funcionamento gerenciado por um computador e
através de funcionamento computacional para medi-
ção (Rolim, 2003). A Figura 3 ilustra de uma forma
simples uma MMC, destacando os principais compo-
nentes da mesma, sendo eles:
1. Estrutura mecânica da MMC propriamente dita;
2. Sistema de apalpação, ou seja, elemento que entra
em contato com a superfície da peça;
3. Unidade de controle, que irá fornecer as informa-
ções metrológicas e as coordenadas do objeto
inspecionado.
Figura 3.Composição básica de uma MMC
O primeiro sensor de toque multidirecional foi
desenvolvido pelo Sr. McMurtry enquanto trabalhava
na fábrica da Rolls-Royce em Bristol e seu desafio
era inspecionar tubulações de combustível das turbi-
nas Olympus usada no Concorde, tarefa que requeria
cuidado especial no controle da deflexão dos tubos
de 6,0 mm de diâmetro (Nóbrega, 2011).
É importante destacar que os apalpadores Touch
Trigger foram de fundamental importância para a
evolução e desenvolvimento das MMCs, sendo que o
princípio dos contatos elétricos é usado até hoje. Os
componentes principais que compõem o sensor estão
em destaque na Figura 4.
Figura 4. Esquema mecânico do touch trigger.
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A mola de sujeição atua como um gatilho do sis-
tema. Neste caso, quando a força sobre a parte móvel
(ponta de contato e atuadores) for maior do que a
força da mola sobre o conjunto móvel, o sistema de
atuadores elétricos se separa, interrompendo assim a
corrente elétrica no sensor.
Como os atuadores estão dispostos a 120° entre
si, a ação pode ocorrer quando a força na parte móvel
for aplicada em qualquer uma das direções radiais do
sensor. Esta capacidade aliada à repetitividade de
atuação da mola é que conferem ao sensor multidire-
cional a exatidão e flexibilidade necessária para uso
em uma MMC (Bueno, 2009).
Essa configuração de apalpadores tem-se um
circuito elétrico formado por três contatos cinemáti-
cos, sendo que cada contato é isolado um do outro e
uma corrente elétrica irá percorrê-los, pois os mes-
mos são ligados por condutores elétricos. A Figura 5
ilustra com mais detalhes o funcionamento dos con-
tatos cinemáticos mostrando o sentido da passagem
da corrente.
Figura 5. Contatos cinemáticos do touch trigger.
3 Projeto e desenvolvimento do sensor Touch
Trigger
Com o objetivo de desenvolver um sistema de
medição de baixo custo capaz de efetuar inspeções de
forma automática, o protótipo desenvolvido foi idea-
lizado utilizando o princípio dos contatos cinemáti-
cos para o desenvolvimento do apalpador Touch
Trigger.
Para a construção do sensor e de toda estrutura
de sustentação, foi utilizado uma ferramenta CAD
para realizar o dimensionamento, que servirá como
uma base para a construção do protótipo.
A Figura 6 ilustra o sensor desenvolvido na pla-
taforma CAD, apresentando os detalhes da peça.
Figura 6. Projeto do sensor obtido através de software CAD.
O sensor é constituído pelas seguintes partes: três
cilindros que servirão para fechar o contato elétrico
do circuito, formado pelos contatos cinemáticos; uma
base que servirá para dar suporte a todos componen-
tes do sensor, que deverá ser construído de material
isolante para não interferir no sinal dos contatos
elétricos; uma haste do sensor, para dar o compri-
mento necessário para alcançar a peça a ser medida;
e uma esfera de apalpação, localizada na extremidade
da haste, para entrar em contato com a peça a ser
inspecionada.
A estrutura desenvolvida e o sensor podem ser
vistos nas Fig. 7 e 8, respectivamente.
O apalpador foi instalado em uma estrutura de
dois graus de liberdade, permitindo realizar medições
com a movimentação de dois eixos. Com esta estru-
tura, é possível realizar medições em peças de pe-
queno volume, que normalmente são dimensões
utilizadas para fins didáticos em atividades de labora-
tório.
O sensor projetado fica inserido em um suporte
fixado no eixo vertical da máquina. Dentro deste
suporte, o sensor fica em repouso sobre uma base de
acrílico, onde nesta base estão as esferas que com-
põem os contatos cinemáticos.
Figura 7. Estrutura desenvolvida.
Haste do
sensor
Esfera de
apalpação
Cilindros Base
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Figura 8. Sensor construído.
4 Instrumentação do sistema
Concluído a construção mecânica do apalpador e
de sua estrutura, foi dado início a instrumentação do
sistema.
Para a instrumentação do sistema foi utilizado um
microcontrolador, que será o responsável por realizar
os comandos de acionamento dos motores e captura
dos dados do encoder. Este último será instalado no
eixo horizontal da máquina, que é um dispositivo
capaz de contar ou reproduzir pulsos elétricos a partir
do movimento rotacional de seu eixo. Para visualiza-
ção das informações pertinentes as medições, utili-
zou-se uma tela de LCD.
Quando o sistema está energizado e pronto para
efetuar as medições, é mostrada duas opções no dis-
play LCD que compõe a máquina, tal mensagem faz
referência ao tipo de medição que se deseja efetuar.
As medições poderão ser do tipo interna, como por
exemplo: a medição do diâmetro de um furo; ou
externo, que irá servir para a medição do comprimen-
to de peças. A Fig. 9 mostra o display no momento
da inicialização do sistema.
Figura 9. LCD mostrando as opções de medição.
Para a aquisição das coordenadas, no momento
em que o sensor entra em contato com a peça, o
encoder fornece a quantidade de pulsos que corres-
ponde a distância deslocada pela máquina. A Figura
10 mostra o encoder acoplado na mesa de coordena-
das.
Para a movimentação dos eixos do protótipo fo-
ram utilizados dois motores CC que são acionados
por botões que fazem os motores girarem nos dois
sentidos. Fazendo assim com que o eixo vertical e
horizontal tenha liberdade de movimento.
Figura 10. Encoder acoplado ao eixo da mesa de coordenadas.
O encoder ou gerador de pulsos tem como carac-
terística principal a conversão dos movimentos rota-
tivos do fuso em informações elétricas, sendo esse
sinal emitido como uma onda quadrada que gera uma
quantidade exata de pulsos por volta. Esses pulsos
emitidos pelo encoder terão que ser convertidos em
algo que possa ser compreendido pelo operador.
Nesse caso os sinais emitidos pelo encoder deverá
ser convertido na distância percorrida pela mesa de
coordenadas.
O sensor que foi usado é composto por um dis-
co com 150 divisões e uma chave óptica, que é a
responsável pela captação dos pulsos do encoder por
volta ou fração de volta do fuso que tem um passo de
3 mm, ou seja, a cada volta do fuso a mesa se movi-
menta 3 mm, obtendo assim como resultado final
uma quantidade de pulsos proporcional ao desloca-
mento da base da mesa de coordenadas. Para a ob-
tenção da resolução do encoder foi utilizada a Equa-
ção (1).
(1)
(2)
O encoder trabalha como um sensor barreira de
luz, sendo que as divisões do mesmo irão interrom-
per o feixe de luz do acoplador óptico, gerando um
sinal elétrico para o microcontrolador em cada inter-
rupção. Como o encoder está acoplado no eixo o
sinal enviado do sensor para o microcontrolador será
na mesma frequência em que a mesa se movimenta.
Para a automatização e controle do protótipo de-
senvolvido foi utilizado um microcontrolador PIC
16F877A, onde é o responsável por todo o controle
de movimentação do sistema, juntamente com a
recepção do sinal do sensor e a conversão dos dados
enviados pelo encoder na distância percorrida pela
mesa no momento em que o sensor Touch Trigger é
acionado.
4 Procedimentos experimentais e
resultados
Com a finalidade de se obter mensurandos com
alto controle dimensional, duas peças foram fabrica-
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das em um centro de usinagem modelo ROMI D600.
Nas peças, foi feito um furo nominal de 16,0 mm em
uma e na outra foi feito um furo nominal de 24,0
mm.
Em seguida, as peças construídas foram medidas
em uma MMC industrial modelo TESA MICRO-
HITE 3D, com o objetivo de se obter os Valores
Verdadeiros Convencionais (VVCs) de suas dimen-
sões, tendo os valores reais para a dimensão dos
furos. Para isso, realizou-se três medições consecuti-
vas para cada furo e calculou a média dos valores.
Após as medições efetuadas, foram obtidos os VVCs
dos diâmetros dos furos. Os valores obtidos foram
15,834 e 24,001 mm. A Figura 11 mostra a peça com
furo de diâmetro de 15,834 mm que foi usinada.
Figura 11. Peça usinada no centro de usinagem.
A Tabela 1 apresenta em sua primeira linha os
VVCs das peças fabricadas e medidas. Abaixo de
cada um destes valores, as 20 medições realizadas
utilizando o protótipo.
Tabela 1. Resultados das medições efetuadas no protótipo
N° Ø 15,834 mm Ø 24,001 mm
1 15,96 23,96
2 15,96 24,04
3 15,96 24,02
4 15,92 24,06
5 15,98 23,96
6 15,94 24,04
7 15,92 23,98
8 15,98 23,98
9 15,98 24,04
10 15,92 23,92
11 15,92 23,94
12 15,94 23,96
13 15,98 23,98
14 15,94 23,92
15 15,98 24,08
16 15,98 23,98
17 15,98 24,04
18 15,96 24,02
19 15,94 23,94
20 15,96 24,02
Média 15,95 23,99
Com a finalidade de determinar o nível de dis-
persão das medições realizadas com o protótipo do
sensor desenvolvido, foi calculado o desvio padrão
das amostras, conforme Equação (3).
Desvio padrão
√∑
(3)
Onde: σ = Desvio padrão; Mi = i-ésima medição;
= Média das medições; n = Quantidade de
medições.
A incerteza padrão (u) corresponde à medida
da intensidade da componente aleatória, e quando
calculada a partir de um conjunto de medições
repetidas, esta corresponde ao desvio padrão das
amostras (Nóbrega, 2011). Utilizando os resultados
obtidos nas 20 medições que foram realizadas, na
peça com furo de dimensão nominal de 15,834 mm, a
incerteza obtida foi de 24,8 µm. Enquanto que na
peça de dimensão de 24,001 mm, foi obtido um valor
de incerteza de ± 44,1µm.
Fazendo um comparativo do desempenho da
máquina com um instrumento manual, tomamos
como base um paquímetro universal de marca
Mitutoyo, série 532-121, de resolução de 0,02 mm,
que possui exatidão de ± 0,04 mm, ou ± 40 µm
(Mitutoyo, 2014). A máquina apresenta nos
resultados que, automaticamente, pode apresentar
desempenho igual ou superior a um instrumento
manual.
A repetitividade corresponde a faixa de valores
dentro da qual as indicações do processo de medição
são esperadas (Albertazzi e Sousa, 2008).
Matematicamente, corresponde a Equação 4.
(4)
Sendo Re = a repetitividade do sistema; t =
Coeficiente de student; u = a incerteza padrão.
Utilizando um coeficiente de student para uma
probabilidade de 99,00% (t = 2,845), nas medições
realizadas, para o furo de dimensão nominal de
15,834 mm, a repetitividade encontrada foi de ± 70,5
µm. E para o furo de dimensão nominal 24,001 mm,
a repetitividade obtida foi ± 125,0 µm.
4 Conclusão
O trabalho realizado permitiu o estudo e acesso
ao conhecimento construtivo e de funcionamento dos
sensores do tipo Touch Trigger, normalmente utili-
zados em máquinas de medição que usam sensores
de medição por contato. Foi possível projetar e de-
senvolver uma máquina de medição de baixo custo,
capaz de realizar medições de comprimentos em
regiões internas e externas de peças de pequeno vo-
lume dimensional, que normalmente são utilizados
em trabalhos acadêmicos na disciplina de metrologia
dimensional.
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O sistema desenvolvido é capaz de realizar medi-
ções com satisfatório desempenho, tanto da parte
mecânica como da parte da instrumentação realizada.
Com a obtenção dos resultados do protótipo pode
ser concluído que o sistema tem uma boa repetitivi-
dade, além de ter um baixo valor de incerteza no
resultado das medições, sendo assim, os resultados se
mostraram bastante satisfatórios e confiáveis, como o
sistema é automatizado, o operador não terá influên-
cia nos resultados de medição.
Este protótipo será de grande serventia para o La-
boratório de Metrologia do IFPB, campus Cajazeiras.
Referências Bibliográficas
ALBERTAZZI, A.; SOUSA, A.; 2008, “Fundamentos de
Metrologia Científica e Industrial”; Editora. Manole.
1º Edição.
BUENO, M. A. M., 2009, “Sensores Eletrônicos para
uso em Máquinas de Medir por Coordenadas”.
Revista Metrologia e Instrumentação, vol. 52.
PB, Brasil.
FERREIRA, F., 2007, “Medição por Contato Versus
Medição Óptica em Máquinas de Medir por
Coordenadas (3D)”, CATIM – Centro de
Apoio Tecnológico à Indústria Metalomecânica.
MITUTOYO. Catálogo: Paquímetros universais.
Disponível em:
http://www.mitutoyo.com.br/produtos/instrumen
tos/pdf-/paq2.pdf. Acesso em 18 jun 2014.
NÓBREGA, L. H. M. S.; Projeto e
Desenvolvimento de um Apalpador Touch
Trigger de Baixo Custo Para Medição por
Coordenadas” Dissertação de Mestrado.
UFPB. (PPGEM), João Pessoa, PB, Brasil,
2011.
ROLIM, T. L.; 2003, “Sistemática Indicadora de
Método para Calibração de Máquina de
Medição por Coordenadas”. Tese de Doutorado
(PPGEM), João Pessoa,
SILVA, E. S.; NÓBREGA, L. H. M. S.; ALENCAR
C. H.; SILVA. V. N.; ALMEIDA T. A.;
ANDREZZA I., “ANALISE DE
REPETITIVIDADE E REPRODUTIBILIDADE
UTILIZANDO UMA MAQUINA DE
MEDIÇÃO POR COORDENADAS (MMC)
TESA MICRO-HITE 3D E UM SENSOR
TOUCH TRIGGER” VIII CONNEPI, Salvador,
Bahia, Brasil, 2013.
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