BR102018012785A2 - metodologia para avaliação de desempenho de máquina de medição por coordenadas do tipo braço articulado por meio da análise de elementos geométricos virtuais - Google Patents

Abstract

metodologia para avaliação de desempenho de máquina de medição por coordenadas do tipo braço articulado por meio da análise de elementos geométricos virtuais a presente invenção tem como principal objetivo propor uma metodologia para realizar testes de desempenho em mmcs do tipo braço articulado por meio da análise de elementos geométricos virtuais. esta metodologia envolve o uso de um padrão no modelo placa de esferas virtuais (pev) como base para captura de pontos tridimensionais, acoplado com o desenvolvimento de um algoritmo computacional para o cálculo dos elementos geométricos de retitude, planeza, paralelismo e perpendicularidade, por meio do ajuste das geometrias. foram ainda utilizadas técnicas de planejamento de experimentos, identificando as variáveis de operação que mais influenciam no processo de medição e os níveis que maximizam e minimizam os erros de medição.

Description

METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE MÁQUINA DE MEDIÇÃO POR COORDENADAS DO TIPO BRAÇO ARTICULADO POR MEIO DA ANÁLISE DE ELEMENTOS GEOMÉTRICOS VIRTUAIS

CAMPO DA INVENÇÃO [001] A presente invenção propõe uma metodologia para testes de desempenho de Máquinas de Medição por Coordenadas do tipo Braço articulado, usando desvios geométricos. Um padrão de modelo “Placa de esferas Virtuais” (PEV) é usado para avaliar as características geométricas durante a medição.

[002] A necessidade de peças intercambiáveis e os avanços dos processos produtivos exigiram a criação de padrões e normas. Com o surgimento dessas novas exigências, novas técnicas de medição foram desenvolvidas e surgiu a necessidade de um método de medição mais flexível e rápido.

ESTADO DA TÉCNICA [003] A manufatura mundial tem experimentado grandes transformações nos últimos anos, obrigando as indústrias a aprimorarem seus processos, desde o planejamento, projeto, fabricação, montagem e inspeção. A introdução de novas tecnologias ao processo tem motivado estas mudanças, assim como o desenvolvimento de produtos em menor tempo, custo reduzido e o uso de geometrias complexas e superfície com forma livre (Soares, 2010). Neste contexto, as medições são fundamentais para garantir a qualidade e confiabilidade, no atendimento às exigências atuais de produtos e processos. As técnicas metrológicas envolvidas nos processos produtivos fornecem dados para tomada de decisões visando a melhoria da qualidade. Isto favorece o aumento da produtividade, a redução de custos, além de promover a competitividade no mercado globalizado (Santos, 2012).

[004] Na área de controle geométrico e dimensional, os métodos convencionais (paquímetros, medidores internos e traçadores de altura) já não satisfazem as exigências atuais de exatidão, rapidez e flexibilidade. O uso de outras tecnologias que atendam às novas exigências se faz necessário, tendo destaque para o uso de tecnologias de medição por coordenadas, onde é possível a verificação virtual das tolerâncias de projeto, a realização da programação das etapas de inspeção,

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2/20 e a integração do equipamento de medição e o programa computacional do equipamento com o ciclo de desenvolvimento do produto (Soares, 2010).

[005] Várias técnicas de medição tridimensional vêm sendo desenvolvidas nos últimos anos, com o uso de equipamentos com e sem contato. O uso de tecnologias de medição sem contato tem sido muito utilizada para formatos livres, mas atualmente a maioria das indústrias trabalham com equipamentos com contato devido a sua versatilidade de medição e baixo custo, se comparado aos sistemas de medição sem contato (Silva, 2011).

[006] Desde o final da década de 50, o uso da Medição por Coordenadas vem em contínuo crescimento (Hamburg-Piekar, 2006). Para suprir a crescente demanda, dezenas de fabricantes vêm produzindo Máquinas de Medir por Coordenadas, mas não existe uma padronização entre eles, por falta de normas mais específicas relacionadas à calibração, testes de desempenho e incerteza de medição.

[007] Um modelo de Máquina de Medir por Coordenadas, chamada de MMC braço articulado tem sido aceito pela indústria por sua portabilidade e maior flexibilidade. No entanto, a inevitável operação manual da MMC braço articulado restringe a sua confiabilidade. Como todo instrumento de metrologia dimensional, a exatidão e a repetibilidade do braço articulado devem ser avaliadas periodicamente, para assegurar a confiabilidade da medição. É indispensável o acompanhamento da estabilidade metrológica do instrumento ao longo do tempo. Isso pode ser alcançado pela calibração e em processos de verificação. Em ambos os casos, um artefato de referência calibrado é medido diversas vezes, cobrindo uma parte significativa do volume de trabalho da MMC braço articulado.

[008] As normas existentes para teste de desempenho em MMC braço articulado cobrem apenas procedimentos experimentais e critérios de aceitação para tolerâncias dimensionais, sem desenvolver métodos e critérios para avaliação de tolerâncias geométricas em braços de medição. As principais normas para esta avaliação de desempenho não realizam a avaliação de maneira completa do volume de trabalho da MMC Braço Articulado, possibilitando a realização da medição em uma única direção, por exemplo, além de utilizar como teste principal

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3/20 a barra de esferas sólidas e não realizar nenhuma avaliação de desempenho do software do equipamento.

[009] Outra característica das normas atuais é o elevado tempo para a realização do teste, já que exige a montagem de barras de esferas sólidas calibradas em diferentes posições, além do alto custo dessa barra de esferas e da dificuldade na sua calibração, devido às suas grandes dimensões.

[010] Parte da literatura sobre o assunto avalia o teste de desempenho de MMC braço articulado com a avaliação das tolerâncias dimensionais, utilizando diferentes padrões e realizam comparações com as normas atuais. Existem poucos trabalhos que avaliam as tolerâncias geométricas em MMCs braço articulado. A literatura recente sobre o assunto vem realizando alguns estudos sobre a medição de tolerâncias geométricas em MMCs braço articulado, no qual é destacado o uso de padrões múltiplos e sólidos para a avaliação, além da necessidade de redução no tempo dos testes de avaliação de desempenho. Outra característica que vem sendo estudada é a avaliação das características de uso dos equipamentos, já que uma MMC braço articulado pode estar dentro das especificações da norma utilizada para avaliação de medição de características dimensionais, mas fora das especificações de uso para uma determinada característica geométrica, por exemplo.

[011] Para obter a melhoria na qualidade dos produtos, diversas técnicas vêm sendo desenvolvidas no sentido de melhorar os processos de fabricação e inspeção. Entre essas técnicas, pode-se destacar o emprego de técnicas estatísticas utilizadas na inspeção de produtos, como as técnicas envolvidas no planejamento de experimentos e a Análise de variância. A análise de variância permite a avaliação estatística das principais variáveis estudadas, além da avaliação das interações entre as variáveis. Estas análises podem ser utilizadas, por exemplo, para estimar a incerteza na média do erro com a mudança de cada variável experimental estudada. Além disso, as técnicas de planejamento de experimento permitem a verificação de várias variáveis em diferentes níveis, assim como a avaliação das variáveis que mais influenciam na resposta do experimento.

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4/20 [012] A medição está diretamente relacionada ao progresso da humanidade e ao progresso industrial, fazendo parte da nossa vida cotidiana e presente em todos os objetos que utilizamos. A necessidade de peças intercambiáveis e os avanços dos processos produtivos exigiram a criação de padrões e normas. Com o surgimento dessas novas exigências, novas técnicas de medição foram desenvolvidas e surgiu a necessidade de um método de medição mais flexível e rápido. Essa exigência resultou na criação de máquinas de medir por coordenadas (MMCs), e a ênfase na melhoria da qualidade e a competição internacional acelerou ainda mais a demanda por métodos de medição cada vez mais rápidos e precisos. Vários tipos de sistemas de medição por coordenadas surgiram para atender essas demandas.

[013] Um dos principais diferenciais do mercado atual é o planejamento e desenvolvimento de um produto, com características diferenciadas dos concorrentes.

[014] Existe hoje a necessidade de produção de itens na indústria que tem alto grau de complexidade geométrica dos seus produtos (por exemplo, a indústria de matrizes e moldes, aeronáutica e automotiva), com um grande avanço tecnológico na fabricação desses produtos, existindo assim a necessidade que o processo de qualidade acompanhe esses avanços, garantindo a qualidade desses produtos e redução nos tempos de entrega. Neste contexto, a engenharia reversa potencializa ações tecnológicas visando à criação de um produto ou projeto a partir de um modelo físico existente.

[015] A engenharia reversa é, por definição, um processo de estudo de um produto já existente, sem o uso inicial de documentos, desenhos ou modelos. Na engenharia reversa, os engenheiros primeiro identificam os elementos com suas funções para depois fazer o desenho do objeto. Inicialmente, o objeto é desmontado para descobrir as suas funções, operação e estrutura, obtendo em seguida suas dimensões, propriedades e características.

[016] Segundo Sokovic (2006) a engenharia reversa é um processo onde, a partir de dados coletados de um modelo físico (que pode ser um equipamento

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5/20 completo, um protótipo ou componente de algum equipamento), é gerado um modelo conceituai.

[017] Atualmente, a engenharia reversa pode apresentar duas vertentes principais de aplicação (Aviz, 2010): a engenharia reversa de projeto - que busca auxiliar na criação de novas máquinas e equipamentos a partir da análise das situações existentes - e a engenharia reversa de produto - que norteia as ações direcionadas ao desenvolvimento de um produto, tendo no seu início a digitalização da geometria de um modelo físico.

[018] Como exemplo de aplicação da engenharia reversa, tem-se a substituição de peças em máquinas de produção. A máquina falha e uma das peças de substituição é necessária, mas o fabricante não produz mais a máquina. A engenharia reversa pode ser utilizada para o desenvolvimento da peça, captando rapidamente um produto em formato digital (3D) e exportando os dados para a prototipagem rápida, ferramentaria ou fabricação.

[019] Para fazer a engenharia reversa de um objeto, é preciso conhecer as suas dimensões físicas. Na moderna engenharia reversa, uma máquina de medição por coordenadas (MMC) tem uma importante função, porque pode medir a geometria de um objeto rapidamente e com mais exatidão.

[020] Geralmente a aquisição de dados geométricos é o primeiro passo do processo de engenharia reversa, que dispõem de uma diversidade de equipamentos dimensionais para este fim. As peças podem ser medidas cuidadosamente, usando micrômetros, paquímetros e outros instrumentos semelhantes. Na fase de aquisição de dados geométricos, os principais fatores são: evitar estragos no modelo físico e a velocidade de trabalho.

[021] Dependendo dessas condições e da exatidão necessária na medição, podem ser utilizadas máquinas de medir por coordenadas com diferentes sensores para obtenção do conjunto de pontos: sensores com contato, sensor laser e sensores de aquisição óptica (Sokovic, 2006). Os braços articulados de medição podem ser utilizados no processo de engenharia reversa para a captação de pontos, sendo mais apropriados para o controle de peças com

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6/20 tolerâncias mais amplas, tais como peças plásticas, estampadas e fundidas não acabadas (Ferreira, 2003).

[022] As MMCs são utilizadas tanto para inspeção em processos de produção como para medições de apoio à pesquisa e calibração de artefatos e padrões (Donatelli et al., 2005). Sua principal característica consiste na capacidade de medir uma variedade de formas geométricas de modo flexível e com relativa automatização. As principais vantagens das MMCs são sua ampla faixa de aplicação, flexibilidade, possibilidade de medição de tolerâncias geométricas, baixa incerteza de medição, possibilidade de automatização, integração ao ambiente de produção, informatização e medição orientada ao elemento (Humienny et al., 2001). A atuação do computador com capacidade de processamento cada vez maior aumenta a potencialidade e os recursos da tecnologia de medição por coordenadas, além do aumento na velocidade de processamento dos sinais de medição.

[023] Nos últimos anos, as empresas vêm usando comparações interlaboratoriais para o controle externo da qualidade. Para obter dados válidos e confiáveis, os procedimentos devem estar sob controle estatístico e ser executado sob um sistema de gestão da qualidade bem estabelecido, sendo os programas interlaboratoriais um componente inerente. A participação em programas interlaboratoriais, quando disponível, é recomendada pela NBR ISO/IEC 17025 (2005). Uma empresa que trabalha com comparação interlaboratorial consegue se comparar com laboratórios similares e identificar problemas que os laboratórios, quando trabalhando isolados, não poderiam descobrir. Outra vantagem é monitorar os resultados dos laboratórios participantes obtidos por métodos diferentes, facilitando a comparação de desempenho de métodos em materiais idênticos e possibilitando verificar a influência de diversos fatores responsáveis pela variabilidade em resultados. Um programa de comparação interlaboratorial fornece subsídios suficientes para avaliar se os resultados, de uma calibração ou teste de desempenho, são devidamente compatíveis entre si e em relação àqueles obtidos por outro laboratório tido como referência.

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7/20 [024] A definição dada pela ISO/IEC 43-1 (1997) para programa de comparação interlaboratorial é bastante abrangente: organização, desempenho e avaliação de ensaios nos mesmos itens ou em itens de ensaios similares por dois ou mais laboratórios de acordo com condições pré-determinadas”.

[025] O uso crescente de MMCs braço articulado tem exigido o desenvolvimento de métodos para verificar o seu desempenho, mas apenas alguns trabalhos foram desenvolvidos a este respeito. Uma aplicação desenvolvida para a verificação de desempenho em MMCs braço articulado está descrito na norma AISI/ASME B89.4.22-2004, onde foram utilizadas duas barras de esferas, com duas esferas com esfericidade garantida dentro de estreitos limites de tolerância, ligadas por uma barra rígida. A barra de esferas deve ser colocada em 24 posições e orientações no volume de trabalho da máquina.

[026] Algumas referências na literatura apresentam outros métodos para verificação de desempenho de uma MMC braço articulado.

[027] O pedido de patente de invenção brasileiro PI 1001161-7 propôs um padrão utilizando dois grupos de quatro furos, utilizados para determinar os pontos de duas superfícies esféricas. O algoritmo computacional cria a esfera e calcula a distância entre os centros das esferas. O indicador proposto foi nomeado barra de esfera virtual, e utilizado para avaliação do desempenho de uma MMC braço articulado com sonda rígida. Os resultados foram comparados com a norma ANSI/ASME B89.4.22-2004, e um experimento adicional utilizando planejamento fatorial fracionário foi realizado, mostrando boa concordância entre as duas abordagens.

[028] O pedido de patente brasileiro PI0803145-2 propõe a substituição das esferas rígidas de barras de medição/calibração de MMC, por furos devidamente posicionados e dimensionados, na construção de uma barra com furos virtuais, empregada para a calibração de MMC, principalmente modelo de braço articulado, em atendimento às especificações de normas de medição específicas e padronizadas. Foi demonstrado que tal equipamento é capaz de substituir o equipamento convencional, no caso, barra com esferas rígidas, de maneira satisfatória.

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8/20 [029] O pedido de patente brasileiro PI0506113-0 apresenta um artefato para testes de MMC contendo furos cilíndricos, entretanto tal proposta de padrão requer a usinagem de 4 elementos com erros de circularidade reduzidos, o que torna o custo superior ao padrão proposto de geometria virtual, no qual deve-se ter apenas a usinagem de 100 furos e do acabamento da placa e dos insertos piramidais.

[030] A patente americana US4982504 apresenta um padrão barra de esferas para determinar o desempenho de MMCs, composto por esferas de precisão acopladas a cada extremidade de uma barra e um sensor para medição de deslocamento fixado na parte central da barra. As esferas de precisão devem ser fixadas em suportes magnéticos, os quais são presos um no apalpador e outro na base da máquina de medição. Este padrão difere da presente proposta por requisitar esferas de precisão (maior custo), diferente disposição das esferas no instrumento e outro método de medição e/ou teste.

[031] A patente americana US5953687 apresenta um sistema informatizado para mostrar ao operador da MMC qual o apalpador que está sendo usado em uma determinada medição, sendo recomendado para uso com sondas de múltiplos apalpadores. Esta aplicação difere da proposta da placa de esferas virtuais, uma vez que está voltada para o controle da operação da MMC e não para testes de desempenho.

[032] A patente americana US6513253B2 apresenta um método para verificar o desempenho de MMCs que requer o uso de um padrão com grupos de esferas de precisão, cujos centros estão alinhados em direções definidas no espaço. Embora este método permita investigar alguns erros geométricos da MMC, o emprego das esferas de precisão resulta em um custo mais elevado em relação à placa de esferas virtuais.

[033] Desta forma, a presente invenção tem como principal objetivo propor uma metodologia para realizar testes de desempenho em MMCs Braço articulado por meio da análise de elementos geométricos virtuais. Esta metodologia envolve o uso de um padrão Placa de esferas virtuais (PEV) como base para captura de pontos tridimensionais, acoplado com o desenvolvimento de um algoritmo

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9/20 computacional para o cálculo dos elementos geométricos de retitude, planeza, paralelismo e perpendicularidade, por meio do ajuste das geometrias. Foram ainda utilizadas técnicas de planejamento de experimentos, identificando as variáveis de operação que mais influenciam no processo de medição e os níveis que maximizam e minimizam os erros de medição.

DESCRIÇÃO SUCINTA DAS FIGURAS [034] A invenção poderá ser mais bem compreendida com base nas Figuras de 1 a 3, cuja descrição segue abaixo:

[035] A Figura 1 apresenta a placa de esferas contendo 16 inserções piramidais e 4 furos cônicos.

[036] A Figura 2 mostra em detalhe uma das inserções piramidais e a sequência de pontos adotados em cada incerto: ponto direito (1), ponto esquerdo (2), ponto inferior (3) e ponto central (4).

[037] A Figura 3 detalha no lado esquerdo as posições do padrão PEV em relação à referência da base da MMC braço articulado, sendo elas a posição de perto - 0 a 20% (5), intermediária - 20% a 80% (6) e longe - 80% a 100% (7). E a direita as localizações, sendo elas: atrás (8), direita (9), frente (10) e esquerda (11).

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [038] A presente invenção propõe uma metodologia para testes de desempenho de Máquinas de Medição por Coordenadas do tipo Braço articulado, usando desvios geométricos. Um padrão de modelo “Placa de esferas Virtuais” (PEV) é usado para avaliar as características geométricas durante a medição. Uma PEV de alumínio de 400 mm x 400 mm, com 16 inserções piramidais e 4 furos cônicos em cada inserção foi utilizada. O padrão é posicionado em quatro localizações e três posições diferentes no volume de trabalho da MMC braço articulado, e três ciclos de medição são executados em cada combinação. O algoritmo desenvolvido no software Matlab calcula as geometrias substitutas com base no método dos mínimos quadrados, a partir das coordenadas dos pontos.

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10/20 [039] Os desvios geométricos de retitude, planeza, paralelismo e perpendicularidade são avaliados. Os resultados são comparados com os valores obtidos pelo software do equipamento e o algoritmo de referência do NIST, mostrando que os desvios geométricos são uma alternativa viável para a avaliação do desempenho da MMC braço articulado. Uma análise estatística dos dados obtidos é aplicada, com a realização e ensaios planejados, para a verificação das principais variáveis da MMC braço articulado. A influência das principais variáveis nos erros de medição é avaliada através da análise de variância. Este método pode fornecer informações sobre o desempenho de MMCs, indicando as melhores áreas de medição para as características geométricas avaliadas. A metodologia desenvolvida também minimiza os erros de medição causados pelo operador e pela estratégia de medição, tendo em vista que é previamente estabelecida a quantidade de pontos de medição, além da garantia da medição dos pontos sempre no mesmo local, graças aos assentos estáticos da PEV. A metodologia proposta é considerada eficiente na análise das características dimensionais e das principais características geométricas em uma MMC braço articulado, e pode ser usado em qualquer tipo de MMC braço articulado que realiza a medição com contato, sendo mais indicado para a análise de máquinas que utilizem a medição de tolerâncias geométricas em seu uso habitual.

[040] A metodologia proposta é comparada com a aplicação do método da norma ANSI/ASME B89.4.22-2004 e conta um algoritmo computacional para o cálculo dos elementos geométricos e verificação do comportamento metrológico do MMC braço articulado.

[041] No procedimento de avaliação proposto, é utilizado o Planejamento Fatorial completo, para realização de experimentos e investigação do efeito de três variáveis de operação no comportamento dos erros de medição no volume de trabalho. Um algoritmo desenvolvido é comparado com o algoritmo do equipamento, sendo considerado como a primeira variável. Seguindo a recomendação da norma ANSI/ASME B 89.4.22-2004, três posições foram determinadas, com medições próximas à referência do MMC braço articulado, medições à uma distância intermediária e longe da referência, sendo considerado

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11/20 como a segunda variável. As medições são realizadas em quatro localizações, à frente da referência do MMC braço articulado, à sua direita, à sua esquerda e atrás da referência, sendo considerado como a terceira variável de operação.

[042] As variáveis que mais influenciam nos erros de medição do MMC braço articulado foram determinadas através da análise de variância. As estimativas da contribuição de cada variável experimental são obtidas a partir das estimativas das variâncias.

[043] Este invento é especialmente útil para verificar o desempenho de uma MMC braço articulado com sonda rígida, pelo fato da sonda ter flexibilidade para acessar os furos em qualquer direção no volume de trabalho, exigindo diferentes combinações de articulações e posições da máquina. A barra de esferas virtuais provou ser menos propensa a erros em relação a barra de esferas convencional, uma vez que as fontes de erros associadas à esfericidade das esferas estão ausentes.

[044] Uma placa de alumínio bidimensional nomeada “placa de esferas virtuais (PEV)” é projetada com base no princípio de que apenas quatro pontos não coplanares podem representar uma esfera. Nesta placa de esferas virtuais as As deformações elásticas da fixação da barra de esferas não aumentam os desvios, como observado em outros modelos. A técnica de calibração utilizada é aplicada para realizar a comparação interlaboratorial de MMC braço articulado.

[045] O algoritmo realiza o cálculo dos diâmetros das esferas, das distâncias entre os centros das esferas, para a medição de retitude, planeza, paralelismo e perpendicularidade.

[046] A partir dos dados das coordenadas dos pontos obtidos pela MMC braço articulado, foram determinados elementos geométricos substitutos (retas, planos e esferas) para a determinação do valor dos desvios geométricos dos itens medidos, a partir de um algoritmo desenvolvido para este cálculo. Os resultados foram comparados com as geometrias substitutas calculadas pelo software do equipamento.

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12/20 [047] Como vantagens para o uso da placa de esferas virtuais pode ser citado o custo e a massa reduzido do padrão, em comparação ao padrão utilizado pela norma ASME B.89.4.22-2004, além da facilidade de montagem, facilidade de manipulação e posicionamento para a medição.

[048] A metodologia proposta compreende três etapas gerais: o planejamento do experimento de avaliação, a análise dos dados experimentais e a avaliação do desempenho do braço de medição por coordenadas.

[049] O primeiro passo do planejamento de experimentos é a definição das variáveis que serão investigadas e os valores e níveis que estas devem assumir. As variáveis podem ser divididas em quantitativas e qualitativas. Deve ser feita a escolha da unidade experimental e da unidade de observação.

[050] Assim que as variáveis e os níveis foram definidos, o próximo passo é determinar a escolha do arranjo experimental. Para a solução deste problema, é necessário conhecer o número de variáveis operacionais do braço de medição, e realizar um ensaio com o menor número possível de experimentos, desde que não afete a confiabilidade dos resultados. Deve ser levado em conta também o tempo para o planejamento, o custo e outros fatores relevantes.

[051] O arranjo escolhido é o planejamento fatorial completo. Um planejamento 4 x 3 x 2 é realizado, sendo três fatores e 4, 3 e 2 níveis, respectivamente. Três réplicas são realizadas. Para o planejamento fatorial completo, todos os testes realizados com cada combinação experimental são avaliados, assim como os efeitos e interações dos fatores investigados.

[052] Com esse planejamento, as principais tendências são determinadas.

[053] Após a conclusão do planejamento dos experimentos, a coleta dos dados é realizada. Os dados são coletados seguindo rigorosamente o que foi estabelecido na etapa de planejamento de experimentos, seguindo os procedimentos e normas descritas posteriormente. A sequência de execução é aleatória.

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13/20 [054] Com os dados coletados, a análise das medições são realizadas, com a utilização de métodos estatísticos para a análise, com todas as variáveis, níveis e réplicas pré-estabelecidas.

[055] Por fim, os resultados são apresentados, com as suas respectivas validações e conclusões.

[056] A metodologia se baseia na avaliação das tolerâncias geométricas na PEV. Para cada fator e nível descrito, são avaliadas as seguintes tolerâncias geométricas: retitude, planeza, paralelismo e perpendicularidade. As tolerâncias são escolhidas devido ao seu grande uso em vários tipos de aplicações.

[057] Na primeira etapa da análise dos dados experimentais, é verificada a consistência dos resultados experimentais, com relação às hipóteses básicas requeridas pela análise da variância. Em seguida, são determinadas as variáveis significativas através da análise da variância.

[058] A análise da consistência dos erros é feita através dos gráficos de probabilidade normal e de resíduos, para identificar se a distribuição encontrada equivale à distribuição normal.

[059] A determinação da contribuição de cada variável na variação dos erros de medição é feita através da análise da variância, que também é utilizada para verificar a influência das variáveis sobre os erros de medição no volume de trabalho e tipo de ajuste estudado.

[060] O desempenho do MMC braço articulado, após as medidas no volume de trabalho, é determinado pela análise dos desvios de medição. Estes valores são estimados pelo desvio padrão (incerteza padrão) e por um intervalo com uma probabilidade de 99% e baseado na distribuição de probabilidade “t” Student (incerteza expandida).

[061] Este modelo tem como vantagem, principalmente, o fato de não ocorrer erros de esfericidade como ocorre nos padrões de placas de esferas convencionais, além da redução de custos do padrão. Uma vez que os pontos

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14/20 estão na mesma posição relativa entre si, a esfera virtual determinada pode ser reproduzida sempre que necessário.

[062] Para a validação do algoritmo desenvolvido, é realizada uma comparação com o algoritmo de referência desenvolvido pelo National Institute of Standards and Technology (NIST). Este algoritmo é baseado na norma ISO B89.4.10 e tem uma ampla gama de convergência (Hoop, 1995). São utilizados os dados fornecidos pelo NIST para a reta bidimensional e tridimensional, esfera e plano. Estes dados são importados e considerados como dados de entrada para o algoritmo desenvolvido (Diaz, 1994, Hoop,1995). Assim, o conjunto de pontos extraídos do algoritmo NIST é inserido no algoritmo desenvolvido para determinar linhas, planos e esferas.

[063] Os resultados são validados com a medição de uma barra de esferas segundo a metodologia estabelecida na norma ASME B89.4.22-2014, onde o valor 2*RMS obtido na aplicação da norma mencionada anteriormente pode ser comparado diretamente com o valor obtido nas medições com a PEV, levando em consideração a diferença no número de pontos medidos. O Valor 2RMS encontrado na aplicação da norma ASME B89.4.22-2010 foi de 0,296 mm, e o valor 2RMS encontrado na medição das distâncias entre as esferas com a PEV foi de 0,137 mm. Os Valores 2RMS encontrados nas medições das tolerâncias geométricas de retitude, planeza, paralelismo e perpendicularidade com a PEV foram de 0,293 mm, 0,130 mm, 0,073 mm e 0,344 mm, respectivamente.

[064] A metodologia proposta consegue minimizar os erros de medição causados pelo operador e pela estratégia de medição, já que são previamente estabelecidos de maneira clara os pontos e a quantidade de pontos que deveria ser medida para cada aplicação, mantendo a medição dos pontos sempre no mesmo local graças aos assentos cônicos da PEV. Segundo a literatura, os assentos cônicos representam um ponto estável para as medições manuais, além da sua disposição espacial de modo que o braço articulado precisa ser movido variando o movimento das suas articulações, minimizando assim também a influência do operador (Piratelli, 2010).

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15/20 [065] Para a avaliação das tolerâncias dimensionais com a medição da PEV na medição das distâncias entre os centros das esferas virtuais, a metodologia proposta apresenta uma média de erros de 86 pm na medição da maior distância entre as esferas virtuais, significativamente maior que a média dos erros na medição da menor distância entre as esferas virtuais, que foi de 30 pm, igual ao que acontece com a MMC ortogonal, onde o erro aumenta consideravelmente com a medição de peças maiores, confirmando parte da literatura (Ostrowska, 2016).

[066] Considerando o valor Qp (divisão entre o valor medido na MMC braço articulado pelo valor de referência medido da MMC ortogonal), a amplitude do valor Qp na medição das distâncias entre as esferas virtuais foi de 0,0029, enquanto nas medições das tolerâncias geométricas de Retitude, Planeza, Paralelismo e Perpendicularidade, as amplitudes dos valores Qp encontrados foram de 2,6552, 0,2080, 0,3108 e 0,0147, respectivamente. Em parte, isso se deve ao fato de não existir normas específicas para este tipo de medição, fazendo com que essa não seja a principal preocupação do fabricante desse tipo de equipamento, que não é testado para esta determinada aplicação.

[067] O tempo para a realização da metodologia proposta foi menor que 50% do tempo utilizado para a aplicação da norma ASME B89.4.22-2014.

[068] A repetibilidade e reprodutibilidade para esferas virtuais são maiores do que na medição em esferas comuns, porque a medição é guiada por assentos cônicos.

[069] A Placa de Esferas virtuais pode ser utilizada para a medição de outras características geométricas, como circularidade e concentricidade, além da já mencionada esfericidade.

EXEMPLOS EXEMPLO 1:

[070] Os testes foram realizados em uma bancada da MMC braço articulado e na Máquina de Medir por Coordenadas Cantilever. O procedimento para avaliação

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16/20 do desempenho proposto envolve a medição de um artefato padrão (placa de esferas) posicionado em diferentes pontos do volume de trabalho da máquina, a medição de uma barra de esferas calibrada (conforme a norma ASME B.89.4.222004) e a medição da placa de esferas na Máquina de medir por coordenadas.

[071] A descrição deste procedimento de montagem e medição, que caracterizou a parte física da experimentação, é relatada na sequência.

[072] Para uso nos experimentos foi utilizada uma MMC braço articulado com as seguintes especificações: Fabricante Romer, modelo Arm 100, tubos dos braços de compósito com fibra de carbono e juntas de liga de alumínio, apalpador rígido com esfera de rubi de diâmetro de 6 mm sem prolongador, seis graus de liberdade, software G-PAD para gerenciamento de dados, resolução de 0,01 mm e incerteza de medição volumétrica expandida (95%) de 0,06 mm.

[073] A máquina utilizada foi uma MMC modelo Cantilever QM- Measure 353, fabricada pela Mitutoyo Sulamericana Ltda, com incerteza de medição de 3,0 pm. Essa máquina apresenta um volume de trabalho de 300 x 400 x 300 mm³ e uma resolução das escalas de 0,001 mm em cada eixo de coordenadas. A incerteza expandida de medição declarada em certificado de calibração é de 1,2 + L/600 mm, onde L é o comprimento medido em mm e a probabilidade de abrangência é de 95%.

[074] As guias dos eixos se movem sobre mancais aeroestáticos, que criam um colchão de ar para sustentar a parte móvel da estrutura. As peças medidas na MMC são fixadas sobre um desempeno de granito da própria máquina. O desempeno apresenta pontos apropriados para a fixação da peça, através de parafusos e outros dispositivos de fixação.

[075] Foram montadas duas barras de esferas, sendo uma de 817,97 mm (incerteza de medição expandida de 0,032 mm - 95%) entre os centros das esferas (curta) e a outra com 1711,468 mm (incerteza de medição expandida de 0,043 mm - 95%) entre os centros das esferas (longa). As barras foram montadas em uma estrutura e fixadas conforme a norma ASME B89.4.22.2009 e configurada em vários quadrantes.

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17/20 [076] Um esquadro de granito calibrado foi utilizado para realizar a comparação do algoritmo desenvolvido com o software do equipamento. Foi utilizado um esquadro de granito da marca Mitutoyo, código 972-101, com dimensões de 220 x 150 x 50 mm. O esquadro foi calibrado com um sistema laser de medição.

[077] A perpendicularidade verificada na linha central do esquadro foi de -0,3 pm na posição 50 mm, -1,5 pm na posição 100 mm, -1,9 pm na posição 150 mm e 3,7 pm na posição 200 mm, com uma incerteza de medição de 1,5 pm. A planeza das faces foi de 2,0 pm, com uma incerteza de medição de 1,0 pm. A incerteza declarada foi baseada em uma incerteza padronizada combinada multiplicada pelo fator de abrangência k=2,00, para um nível de confiança de aproximadamente 95%.

EXEMPLO 2:

[078] Foram realizados experimentos com três variáveis em diferentes níveis. As variáveis investigadas foram: Software utilizado para os cálculos, posição das medições e a localização das medições no volume de trabalho da MMC braço articulado.

[079] A variável “Software” foi avaliada em dois níveis: (1) GPad (software do equipamento) e (2) o algoritmo desenvolvido para os cálculos.

[080] A variável “Posição” foi avaliada em três níveis: (5) Perto (0 a 20% do alcance da MMC braço articulado), (6) intermediária (20 a 80% do alcance da MMC braço articulado) e (7) longe (acima de 80% do alcance da MMC braço articulado).

[081] A variável “Localização” foi avaliada em quatro níveis: (9) Direita, (11) Esquerda, (10) Frente e (8) Atrás da referência da MMC braço articulado. Para o planejamento de experimentos foi utilizado o planejamento fatorial completo, com três variáveis de 2, 3 e 4 níveis, respectivamente (Tabela 1), através da realização de 24 ensaios experimentais e três repetições, resultando em um total de 72 ensaios.

Tabela 1

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VARIÁVEIS
SOFTWARE (A)	POSIÇÃO (B)	LOCALIZAÇÃO (C)
GPAD ALGORITMO	LONGE MEIO PERTO FRENTE	DIREITA ESQUERDA	TRÁS
1 2	12 3 1	2 3	4

[082] Os ensaios deste planejamento foram executados experimental apresentado na Tabela 2. Tabela 2	segundo o arranjo
Teste	Software (A)	Posição (B)	Localização (C)
1	1	1	1
2	1	1	2
3	1	1	3
4	1	1	4
5	1	2	1
6	1	2	2
7	1	2	3
8	1	2	4
9	1	1	1
10	1	1	2
11	1	1	3
12	1	1	4
13	2	2	1
14	2	2	2
15	2	2	3
16	2	2	4
17	2	1	1
18	2	1	2
19	2	1	3

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19/20

20	2	1	4
21	2	2	1
22	2	2	2
23	2	2	3
24	2	2	4

[083] Na tabela 2, os níveis das variáveis A, B e C são representados pelos valores padronizados 1, 2, 3 e 4, e os ensaios numerados em uma sequência de 1 a 24.

[084] Um algoritmo foi desenvolvido para o ajuste das geometrias e cálculo das medições a partir dos pontos coletados. Após a elaboração do algoritmo, os valores obtidos pelo algoritmo foram testados e comparados com outro padrão e com o algoritmo do NIST.

[085] Os resultados foram comparados com os resultados do NIST. Na tabela 3 são apresentadas as geometrias de ajuste avaliadas e a quantidade de pontos para cada geometria de ajuste. Cinco testes foram realizados para cada geometria, escolhidos de maneira aleatória.

Tabela 3

Geometrias do NIST testadas no algoritmo desenvolvido

Reta	Reta	Reta 2	Reta 7	Reta 11	Reta 22	Reta 24
Bidimensional	N° de pontos	19	39	4	353	14
Reta	Reta	Reta 2	Reta 9	Reta 18	Reta 22	Reta 29
Tridimensional	N° de pontos	06	02	27	389	380
Plano	Plano	Plano 8	Plano 14	Plano 21	Plano 28	Plano 30
	N° de pontos	405	407	468	18	400
Esfera	Esfera	Esfera 5	Esfera 18	Esfera 23	Esfera 24	Esfera 27
	N° de pontos	457	37	408	09	05

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20/20 [086] No teste usando o padrão de granito calibrado, foram realizadas medições de planeza, retitude, perpendicularidade entre planos, perpendicularidade entre retas e paralelismo entre planos.

[087] Para a avaliação de planeza, um plano calibrado do esquadro de granito foi medido, com a geração de dois planos com 64 e 16 pontos cada, com três repetições. Para a avaliação da retitude, uma reta com 16 pontos foi gerada, com três repetições. Para a avaliação de perpendicuaridade entre dos planos, dois planos com 16 pontos foram gerados, com três repetições. Para a medição do paralelismo entre dois planos, dois planos de 16 pontos foram criados, com três repetições.

Claims (10)

1. METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE MÁQUINA DE MEDIÇÃO POR COORDENADAS DO TIPO BRAÇO ARTICULADO caracterizado por realizar testes de desempenho para a análise de elementos geométricos virtuais por meio dos desvios geométricos de retitude, planeza, paralelismo e perpendicularidade, utilizando um padrão do modelo “placa de esferas virtuais (PEV)” e um algoritmo desenvolvido e executado por um programa de computador específico que calcula as geometrias substitutas com base no método dos mínimos quadrados, a partir das coordenadas dos pontos.

2. METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE MÁQUINA DE MEDIÇÃO POR COORDENADAS DO TIPO BRAÇO ARTICULADO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a placa de esferas virtuais ser fabricada em alumínio com 16 inserções piramidais e 4 furos cônicos, posicionada em quatro localizações e três posições diferentes no volume de trabalho da MMC braço articulado, e três ciclos de medição são executados em cada combinação.

3. METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE MÁQUINA DE MEDIÇÃO POR COORDENADAS DO TIPO BRAÇO ARTICULADO, de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por a partir dos dados das coordenadas dos pontos obtidos pela MMC braço articulado, determinar os elementos geométricos substitutos (retas, planos e esferas) para o cálculo do valor dos desvios geométricos dos itens medidos, e um algoritmo desenvolvido para este cálculo comparar com os valores obtidos pelo software do equipamento e o algoritmo de referência do NIST.

4. METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE MÁQUINA DE MEDIÇÃO POR COORDENADAS DO TIPO BRAÇO ARTICULADO, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado por seguir um planejamento fatorial completo, para realização de experimentos e investigação do efeito de três variáveis de operação no comportamento dos erros de medição no volume de trabalho, sendo que: o algoritmo desenvolvido é comparado com o algoritmo do equipamento, sendo considerado como a primeira variável; três posições serem determinadas, com medições próximas à referência do MMC

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2/3 braço articulado, medições à uma distância intermediária e longe da referência, sendo considerado como a segunda variável, seguindo a recomendação da norma ANSI/ASME B 89.4.22-2004; e as medições são realizadas em quatro localizações, à frente da referência do MMC braço articulado, à sua direita, à sua esquerda e atrás da referência, sendo considerado como a terceira variável de operação.

5. METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE MÁQUINA DE MEDIÇÃO POR COORDENADAS DO TIPO BRAÇO ARTICULADO, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado por compreender três etapas gerais, sendo elas: o planejamento do experimento de avaliação, a análise dos dados experimentais e a avaliação do desempenho do braço de medição por coordenadas.

6. METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE MÁQUINA DE MEDIÇÃO POR COORDENADAS DO TIPO BRAÇO ARTICULADO, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pela primeira etapa do planejamento de experimentos ser a definição das variáveis que serão investigadas e os valores e níveis que estas devem assumir, divididas em quantitativas e qualitativas, escolhendo a unidade experimental e da unidade de observação; a próxima etapa é determinar a escolha do arranjo experimental, conhecendo o número de variáveis operacionais do braço de medição, e realizando um ensaio com o menor número possível de experimentos, desde que não afete a confiabilidade dos resultados e levando em conta também o tempo para o planejamento, o custo e outros fatores relevantes; o arranjo é do tipo planejamento fatorial completo no formato 4 x 3 x 2 é realizado, sendo três fatores e 4, 3 e 2 níveis, respectivamente e três réplicas serem realizadas; investigar os efeitos e interações dos fatores e determinação das principais tendências; a coleta dos dados tem sequência de execução é aleatória seguida análise das medições e validações dos resultados.

7. METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE MÁQUINA DE MEDIÇÃO POR COORDENADAS DO TIPO BRAÇO ARTICULADO, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado por a primeira etapa da análise dos dados experimentais verificar a consistência dos resultados com

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3/3 relação às hipóteses básicas requeridas pela análise da variância; em seguida, determinar as variáveis significativas através da análise da variância; análise da consistência dos erros ser feita através dos gráficos de probabilidade normal e de resíduos, para identificar se a distribuição encontrada equivale à distribuição normal; calcular o desempenho do MMC braço articulado por meio da análise dos valores de desvios de medição, estimados pelo desvio padrão (incerteza padrão) e por um intervalo com uma probabilidade de 99% e baseado na distribuição de probabilidade “t” Student (incerteza expandida).

8. METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE MÁQUINA DE MEDIÇÃO POR COORDENADAS DO TIPO BRAÇO ARTICULADO, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado por seus resultados validados com a medição de uma barra de esferas segundo a metodologia estabelecida na norma ASME B89.4.22-2014, onde o valor 2*RMS ser de 0,137 mm na medição das distâncias entre as esferas com a PEV; e os valores encontrados nas medições das tolerâncias geométricas de retitude, planeza, paralelismo e perpendicularidade com a PEV serem de 0,293 mm, 0,130 mm, 0,073 mm e 0,344 mm, respectivamente.

9. METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE MÁQUINA DE MEDIÇÃO POR COORDENADAS DO TIPO BRAÇO ARTICULADO, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado por a avaliação das tolerâncias dimensionais com a medição da PEV das distâncias entre os centros das esferas virtuais apresentarem uma média de erros de 86 pm na maior distância entre as esferas virtuais, e 30 pm na medição da menor distância.

10. METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE MÁQUINA DE MEDIÇÃO POR COORDENADAS DO TIPO BRAÇO ARTICULADO, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pela amplitude do valor Qp na medição das distâncias entre as esferas virtuais ser de 0,0029, e nas medições das tolerâncias geométricas de retitude, planeza, paralelismo e perpendicularidade, serem de 2,6552, 0,2080, 0,3108 e 0,0147, respectivamente.