White paper: Conceitos modernos do projeto de MMC

Historicamente, as melhorias na precisão da medição de MMC foram quase inteiramente orientadas por precisão mecânica de hardware de MMC e a capacidade para manter a estabilidade térmica do meio ambiente operacional.

Máquinas de Medição por Coordenadas (MMC) são usadas em praticamente todas as indústrias que exigem inspeção dimensional precisa de peças fabricadas. No ambiente competitivo de hoje, os fabricantes exigem MMCs que são precisas, confiáveis, rápidas, econômicas, e fornecem o máximo de flexibilidade no que diz respeito ao ambiente operacional.

A fim de atender a essas exigências muitas vezes conflitantes e fornecer valor máximo nos produtos entregues aos seus clientes, os fabricantes de MMC devem tomar decisões de design informadas, escolher materiais inteligentes, e empregar novas técnicas.

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O resultado final deve ser uma máquina acessível, que seja altamente precisa, meça peças rapidamente, e seja relativamente insensível ao seu ambiente. A chave para alcançar este objetivo é a gestão cuidadosa de erro intrínseco da máquina.

Historicamente, as melhorias na precisão da medição da MMC foram quase inteiramente orientadas pela precisão mecânica de hardware da MMC e a capacidade para manter a estabilidade térmica do meio ambiente operacional. Assim, nos primeiros dias da indústria, a fim de alcançar a precisão da medição cada vez mais necessária para suportar encolhendo tolerâncias de peças, componentes de MMC precisavam ser fabricados cada vez mais com precisão: as estruturas da máquina se tornaram mais resistentes, orientações mais retas, condução mais suave, escalas mais precisas, e assim por diante.

Ao mesmo tempo, o ambiente de funcionamento necessário para ser controlado de forma mais rígida para reduzir os efeitos de erros de medição termicamente induzidas. O impacto desse sentido do projeto foi o aumento de despesas para o cliente, devido às quantidades cada vez maiores de valores acrescidos para os componentes físicos. Claramente, este caminho não poderia continuar indefinidamente, tanto do ponto de vista de despesa, e de retornos decrescentes de especificações mais e mais para a precisão mecânica e térmica - é impossível construir uma estrutura sem qualquer erro; algum erro estrutural intrínseco existirá sempre. O que era necessário era uma espécie de paradigma de mudança por antecedência, a fim de satisfazer a crescente demanda por MMCs precisas, confiáveis, rápidas e econômicas, ao mesmo tempo, proporcionando flexibilidade no que diz respeito ao ambiente operacional.

A introdução e aperfeiçoamento contínuo de software basearam as técnicas de compensação de erro de medição ao longo das últimas décadas permitindo aos fabricantes de MMC quebrar esta tendência e efetivamente atender às exigências de seus clientes. Dito isto, o software baseado em compensação de erro de medição não é uma cura para todos os problemas de design, nem permitir que os fabricantes de MMC apliquem princípios de design desleixado, façam escolhas de material inadequado, ou poupem em qualidade de construção.

No seu nível mais básico, uma MMC fornece um sistema de coordenadas que define a localização dos pontos de dados no espaço. Este sistema de coordenadas é fisicamente realizado na estrutura mecânica da MMC utilizando escalas lineares. Algum tipo de sistema de sondagem é usado em conjunto com as escalas lineares para identificar a localização de pontos de medição na peça a ser medida. No caso de uma MMC teórica com uma estrutura "mecanicamente perfeita", os valores de escala X, Y, Z corresponderiam perfeitamente à posição real da ponta da sonda na peça. Na realidade, uma vez que a MMC "mecanicamente perfeita" não existe, muitas fontes de erro contribuem para uma pequena diferença entre as leituras de escala e a posição verdadeira da sonda. Isto é definido como o erro de medição.

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O conceito de como compensar o erro intrínseco presente em qualquer estrutura de MMC foi resolvido com compensação de erro de software, que se baseia na ideia de que se pudermos entender e matematicamente caracterizar fontes de erros de medição previsíveis de uma MMC, o software controlador de MMC pode corrigir automaticamente as medições. Neste contexto, a compensação de erro de software é simplesmente um método para corrigir as leituras de escala da MMC para erros sistemáticos na posição de ponta da sonda conforme relatado pelas escalas de MMC.

Esta funcionalidade foi introduzida pela primeira vez em MMCs algumas décadas atrás. Ao longo do tempo, essas técnicas de compensação cresceram cada vez mais sofisticadas, abrangendo ambos os erros geométricos estáticos e todos os tipos de erros de geometria dinâmica e induzidos termicamente. Erros geométricos estáticos são os erros causados por imperfeições microscópicas nas formas dos meios de guia e sistemas de escala que levam a erros na localização de medição da ponta da sonda, quando a máquina não está em movimento. Erros térmicos são alterações da geometria da máquina causadas por mudanças na temperatura. Na sua forma mais básica, a correção de erros térmicos inclui correção linear simples das escalas devido à expansão e contração térmicas a métodos mais elaborados para compensar as mudanças não lineares termicamente induzidas na estrutura.

Uma vez que é apenas viável corrigir erros sistemáticos conhecidos, bem caracterizados, um pré-requisito importante para o sucesso da aplicação de compensação de erro de software é uma MMC "bem comportada" repetível. Ou seja, uma MMC com base em princípios de design robusto e construído com componentes de qualidade por uma equipe de técnicos altamente qualificados que são treinados para montar uma máquina com a mais elevada qualidade de construção mecânica.

Os principais parâmetros de projeto estrutural da MMC incluem o peso da massa em movimento e as propriedades estáticas, dinâmicas e térmicas da estrutura física. O uso de componentes leves na parte móvel da estrutura reduz as forças necessárias para acelerar durante o movimento da máquina, resultando na capacidade de usar motores de corrida menos potentes e mais frios e, ao mesmo tempo, causando menos distorções à estrutura devido à inércia.

O desafio do projeto é encontrar um bom compromisso entre a rigidez e peso. Assim, a seleção do material é extremamente crítica, especialmente uma vez que afeta os outros requisitos da estabilidade térmica e propriedades dinâmicas. O alumínio é especialmente atraente a este respeito. Embora tenha um peso específico semelhante ao do granito, os processos de extrusão modernos permitem a fabricação de grandes elementos estruturais de alumínio com o material localizado especificamente onde tem o maior impacto na rigidez. Relativamente as estruturas de parede fina com o material mais afastado do eixo neutro de curvatura resultará na rigidez mais estrutural com o mínimo de peso. É importante que a formação de gradientes de temperatura dentro da estrutura sejam minimizados a fim de minimizar a distorção de quadro.

Os gradientes podem acumular-se quando um componente responde lentamente às mudanças de temperatura. Um bom exemplo é uma grande laje de granito exposta a uma variação de temperatura. Por causa da baixa condutividade térmica do granito e grande massa, o calor só irá mover lentamente através do material. Isto resulta numa distribuição de temperatura não uniforme no interior do granito. Se esta distribuição é assimétrica (parte superior e inferior em relação ao centro), isto irá resultar em diferenças de expansão ou contração das superfícies superior e inferior e, consequentemente, dobrar o granito. (Sim, acredite ou não, o granito se dobra!) Por outro lado, o alumínio tem um elevado coeficiente de condutividade térmica; o calor entra em uma estrutura de alumínio e rapidamente o transfere através do material, evitando a acumulação de gradientes térmicos e a bending.cont-thermal-spec resultante.

O baixo coeficiente de granito dos resultados de condutividade térmica em condução de calor lento pode resultar em grandes gradientes térmicos dentro de uma laje grossa de granito. Como mostrado na ilustração (expandida para maior clareza), isso faz com que o granito dobre as superfícies opostas ao expandir ou contrair de maneira diferente. O alumínio, por outro lado conduz rapidamente o calor devido ao seu coeficiente de condutividade térmica muito mais elevado, evitando deste modo a distorção geométrica induzida termicamente.

Como esses conceitos de design entram em um projeto MMC real? A MMC da Brown & Sharpe Global, uma MMC tipo ponte em movimento, com rolamento de ar, fabricada pela Hexagon Metrology, Inc., é um exemplo bem conhecido da aplicação de princípios de design de MMC modernas. Para a Global, os principais requisitos imprescindíveis no projeto foram precisão, produtividade e flexibilidade ambiental. O granito é usado para a base fixa da ponte de movimentação da MMC.

Mesmo com suas fracas propriedades térmicas, o granito ainda é uma excelente escolha para uma superfície plana de alta qualidade com extrema durabilidade. Melhorias nos processos de maquinagem de granito permitem a fabricação de uma base de granito com uma peça de guia de formas integradas para os mancais de ar. Além disso, a base de granito global é pesada e, em combinação com almofadas de isolamento elastoméricos passivas, isto serve para isolar a máquina de vibrações ambientais que têm um efeito negativo sobre a precisão e repetibilidade.

Tricision De um ponto de vista térmico, a escolha de granito é a menos favorável, porque a grande base de granito é propensa à dobragem térmica em virtude da alteração de temperatura dentro do ambiente da instalação. No entanto, esta dobragem térmica é muito previsível e bem adequada para a compensação de erros de software. Vários sensores de temperatura na parte superior e na parte inferior da base de granito são utilizados para corrigir os erros de geometria na estrutura da MMC que resultam da dobragem granito induzida termicamente, mesmo quando esta flexão é assimétrica. Este método de compensação tem se mostrado muito eficaz na prática.

Alumínio e aço tem propriedades de expansão térmica diferentes, que podem conduzir a problemas se o design da interface entre os materiais não for corretamente concebido. Se dois materiais com propriedades de expansão térmica diferentes são rigidamente unidos, tendem a se distorcer em formas difíceis de prever. O design global resolve este problema pela forma como as escamas de aço são aplicadas à estrutura de alumínio; as escamas são fixadas à estrutura da máquina em uma extremidade e deixa-se expandir e contrair ao longo do comprimento de toda a escala independentemente da estrutura de alumínio. Assim, os dois materiais têm permissão para expandir e contrair independente do outro, de forma comportada e previsível e o erro introduzido pela expansão linear com bom comportamento das escamas de aço é facilmente corrigido. Em contraste à base estática, a estrutura é inteiramente feita de extrusões de alumínio e peças fundidas. Como sabemos, o alumínio tem boas propriedades térmicas no que diz respeito ao design da MMC. No entanto, as escalas, o que em última análise, determinar a posição da sonda no interior do volume de medição da MMC, são feitas de aço.

O feixe X e linha Z da Global são extrusões de alumínio, enquanto as pernas e transporte XZ são peças fundidas em alumínio. Como foi discutido anteriormente, o granito é uma boa solução para a base estática, mas é menos do que ideal para a estrutura móvel. Enquanto faz sentido o design compensar a flexão térmica do granito na base - para tirar proveito de suas propriedades de superfície de trabalho desejáveis - é desvantagem quando se trata da estrutura móvel. Alumínio para os componentes da ponte em movimento proporciona rigidez, leveza e estabilidade térmica, que são alguns dos elementos-chave que fazem a MMC global precisa, rápida e relativamente insensível ao seu ambiente térmico.

As MMCs globais usam ambas as técnicas geométrica e térmica de compensação de erro estáticos, a fim de atingir uma alta precisão e flexibilidade ambiental. O método para a compensação de erros geométricos estáticos consiste em quatro etapas principais:

  • Determinação dos erros em cada MMC global individual (coleta de dados)
  • Cálculo dos valores de correção e de armazenamento em uma tabela de correção (mapa de erro)
  • Aplicação de valores de correção de erros pelo software controlador durante a operação da MMC
Verificação de desempenho de MMC

O mapa de erro global baseia-se em um modelo cinemático geral de três eixos nominalmente perpendiculares. O objetivo deste modelo é calcular o efeito combinado de todos os erros geométricos de todos os eixos na posição da ponta da sonda. Este efeito combinado é a correção de erros que é adicionada para os valores da escala.

As correções para a flexão do granito e expansão da escala e contração descritas acima são exemplos de compensação de erro térmico usada na concepção global. Lembre-se que erros térmicos são mudanças na geometria da máquina causadas por mudanças no ambiente térmico. Os efeitos de erros térmicos sobre a localização da ponta da sonda são idênticos para o efeito de erros geométricos estáticos. A principal diferença é a sua causa raiz. Erros geométricos estáticos são uma propriedade da máquina completamente montada apenas. Em princípio, eles não mudam ao longo do tempo. Assim, eles podem ser capturados em um ponto no tempo e armazenados num ficheiro de dados.

Em contraste, os erros térmicos são uma função tanto do ambiente térmico e resposta térmica da máquina. Estes erros mudam constantemente, a menos que a máquina esteja localizada em um ambiente controlado por temperatura fixa. A fim de determinar os efeitos dos erros térmicos sobre a localização da ponta da sonda que precisa de um modelo de temperatura que caracteriza o comportamento térmico da máquina, bem como valores de entrada que caracterizam o ambiente térmico. Os valores de entrada são as temperaturas da superfície da máquina medidas pelos sensores de temperatura em vários locais na máquina.

Embora alguns modelos usem mais sensores, a maioria dos modelos globais usar onze sensores de temperatura colocados em toda a estrutura: dois sensores por eixo para compensar a expansão linear e contração das escalas, quatro sensores sobre o granito (dois na parte superior e dois na parte inferior) para compensar a flexão do granito, e um na peça que está sendo medida.

Em suma, o design da MMC moderna inclui compensações envolvendo precisão, rendimento, e flexibilidade do meio ambiente, para citar alguns dos parâmetros mais importantes. Ao fazer decisões de design inteligentes que envolvem a seleção e aplicação dos materiais apropriados e aproveitando ao máximo a compensação de erro de software, designer de MMC de hoje pode equilibrar parâmetros de projeto de MMC para fornecer soluções de metrologia do mundo real.

Eric Bennett é gerente de produto na Hexagon Metrology, com responsabilidades de marketing de produto para máquinas de medição por coordenadas tipo ponte na empresa Quonset Point, sede em Rhode Island. Eric tem mais de uma década de experiência no campo da metrologia por coordenadas e tem um diploma de Bacharel em Artes em Física e Mestrado em Ciência, tanto em engenharia física e ciência da computação.

Wim Weekers é o Chief Metrologist na Hexagon Metrology. Wim nasceu na Holanda com PhD em engenharia mecânica pela Universidade de Tecnologia de Eindhoven, onde se especializou em engenharia de precisão e metrologia. Wim mudou para os Estados Unidos em 1997, onde ele trabalha para a Hexagon Metrology como líder do setor de pesquisa e desenvolvimento desde então. Suas principais áreas de interesse são a precisão da MMC, a compensação de erros e testes.

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