BRPI0501900B1 - Sistema de calibração para avaliar os erros de rotação de eixos - árvore de máquinas e de equipamentos através de um laser interferométrico - Google Patents

Abstract

"sistema de calibração para avaliar os erros de rotação de eixos-árvore de máquinas e de equipamentos através de um laser interferométrico". esta invenção trata-se de um método para avaliar os erros de rotação de eixos-árvore de máquinas e de equipamentos utilizando um laser interferométrico. este método é capaz de medir os erros de rotação radial e axial, bem como os deslocamentos térmicos ('thermal drifts') radial e axial de eixos-árvore. as medições são realizadas pela reflexão do feixe do laser diretamente através da superfície de uma esfera padrão (8). esta esfera é fixa na extremidade de um mandril com ajuste angular (10) que é montado na placa do eixo-árvore. em princípio, a medição do laser é similar à configuração que utiliza interferômetro linear para aferição de deslocamento linear. uma lente convergente (4) é empregada para focar o feixe de laser em um pequeno ponto na superfície da esfera. um programa computacional foi desenvolvido para adquirir os dados bem como plotar os gráficos polares dos erros radial e axial e as curvas dos deslocamentos térmicos radial e axial do eixo-árvore em função do tempo. uma aplicação deste calibrador de erros de rotação foi realizada num centro de usinagem de comando numérico.

Description

(54) Título: SISTEMA DE CALIBRAÇÃO PARA AVALIAR OS ERROS DE ROTAÇÃO DE EIXOS ÁRVORE DE MÁQUINAS E DE EQUIPAMENTOS ATRAVÉS DE UM LASER INTERFEROMÉTRICO (51) Int.CI.: G01B 11/27; B23Q 17/24 (52) CPC: G01B 11/27,B23Q 17/24 (73) Titular(es): UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO - USP (72) Inventor(es): HEBER FERREIRA FRANCO DE CASTRO

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SISTEMA DE CALIBRAÇÃO PARA AVALIAR OS ERROS DE ROTAÇÃO DE EIXOS-ÁRVORE DE MÁQUINAS E DE EQUIPAMENTOS ATRAVÉS DE UM LASER INTERFEROMÉTRICO

Campo da Invenção [001] A presente invenção trata, em particular, de um sistema para avaliar os erros de rotação de eixos-árvore utilizando um laser interferométrico.

Fundamentos da Invenção [002] Com o advento da engenharia de precisão, existe uma demanda para o projeto de componentes mecânicos e ópticos de alta precisão. Para a fabricação de tais componentes, as máquinas devem ser capazes de executar usinagem de alta precisão. Assim, é necessário que os subsistemas da máquina apresentem um desempenho submicrométrico no tocante à precisão. Esses subsistemas são concebidos com base nos princípios de projeto da engenharia de precisão (vide H. Nakazawa, “Principles of Precision Engineering”, Oxford University Press, Reino Unido, 1994). [003] Um importante subsistema de uma máquinaferramenta é o seu eixo-árvore.

[004] Como é sabido, os erros de rotação de eixosárvore causam degradação no acabamento superficial e na circularidade da peça usinada. Além disso, produzem desvios dimensionais e de localização nos elementos geométricos presentes na peça.

[005] A análise de tais erros de rotação pode ser também utilizada para predizer a qualidade da peça a ser produzida pela máquina, qualificar a dita máquina antes do início do processo de produção e por fim, fornecer uma guia para a compra e manutenção de tal máquina.

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2/24 [006] Há dois tipos básicos de erros de rotação de eixos-árvore, a saber: (a) erros do eixo de rotação (“axis of rotation errors”); e (b) deslocamento térmico do eixoárvore (“spindle thermal drift”).

[007] Os erros do caso (a) são pequenos afastamentos do eixo instantâneo de rotação em relação ao eixo de rotação médio (“average axis of rotation”). Esses erros apresentam as seguintes componentes: duas radiais perpendiculares entre si e formando um plano normal ao eixo médio de rotação, uma axial e duas angulares. As ditas componentes são chamadas comumente de erro radial (“radial error motion”), erro axial (“axial error motion”) e erro angular (“angular error motion”).

[008] Na verdade, elas são originadas dos cinco graus de liberdade indesejáveis do eixo-árvore.

[009] Já no caso (b), são erros causados pelo deslocamento do eixo de rotação médio ao longo do tempo. Esse movimento do eixo de rotação médio é devido às deformações térmicas dos elementos da árvore, por exemplo, rolamentos, etc. e da sua estrutura de suporte.

[010] O deslocamento térmico (“thermal drift”) da árvore é constituído também pelas componentes axial, radial e angular.

[011] Já são conhecidas algumas técnicas de medição de erros de rotação de eixos-árvore que serão descritas a seguir.

[012] Uma técnica simples consiste na utilização de cinco transdutores LVDT (“Linear Variable Displacement Transducer) para medir o erro radial, axial e angular. Isto é implementado através de um mandril mestre que é montado no

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3/24 eixo-árvore da máquina. Este mandril possui uma esfera e placas padrões que são utilizadas como referência metrológica (vide H. Park, “Development of a Computer Aided Spindle Error Analyser”, M.Sc. Thesis UMIST, 1992).

[013] O método de multi-pontos utiliza nove transdutores capacitivos para avaliar, simultaneamente, o erro radial, axial e angular do eixo-árvore. Um cilindro padrão é usado como referência metrológica. Os erros de planicidade e de circularidade do cilindro são separados dos erros de rotação do eixo-árvore por intermédio de processamento matemático-computacional. Este sistema de medição é complicado devido à necessidade de montagem com precisão de nove transdutores nas proximidades da árvore da máquina (vide G. X. Zhang, et al, “A Multipoint Method for Spindle Error Motion Measurement”, Anna

46/1, 1997, p. 441-445).

[014] Uma técnica óptica de Moir padrão.

Ela emprega dois círculos

of the CIRP,	Vol.
foi adotada	para
o uso de uma	peça
concêntricos	que
(“grating”).	O

apresentam sulcos circunferenciais espaçamento entre tais sulcos é de ordem micrométrica. Um círculo é montado na ponta da árvore e o outro, que é o círculo de referência, é mantido estacionário. Um sistema óptico detecta através de câmera CCD, as franjas de Moiré geradas pela interferência óptica entre os círculos concêntricos. Por meio de processamento de imagem é obtido a curva polar do erro radial da árvore. Este método envolve uma grande quantidade de componentes ópticos bem como o uso de programa computacional sofisticado para processamento de imagem (vide Y. C. Park and S. W. Kim, “Optical Measurement

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4/24 of Spindle Radial Motion by Moiré Technique of ConcentricCircle Gratings”, Int. J. Mach. Tools Manufact., Vol. 34/7, 1994, p. 1019-1030).

[015] Outro sistema de medição baseado em um interferômetro “Fizeau” foi desenvolvido para a avaliação do erro axial e angular de um eixo-árvore de ultraprecisão. Este sistema é complicado e de custo elevado devido a um grande número de componentes ópticos e mecânicos, bem como, da necessidade da montagem e alinhamento dos mesmos na máquina em teste (vide A. Idowu and A. E. Gee, “Wide Aperture Interferometric Spindle Metrology: Sensitivities and Strategies”, Proc. of the Applied Optics Divisional Conference, September, 1996, p. 182-187) .

[016] Alguns dos métodos apresentados acima usam transdutores LVDT e capacitivos, os quais interagem com o objeto sob teste produzindo ruídos na medição. Por exemplo, em eixos-árvore que giram em altas velocidades, uma corrente de ar originada nas proximidades do transdutor produz turbulência do ar que, por sua vez, causa ruídos no sistema de medição. Este ruído é especialmente importante em se tratando de eixos-árvore de ultraprecisão, onde o sinal de medição gerado pelo transdutor é bem pequeno, podendo ter a mesma magnitude do sinal de ruído.

[017] A técnica de Moiré conforme mencionada acima, além de ser complexa, permite avaliar somente o erro radial.

[018] Já o sistema que utiliza um interferômetro “Fizeau” conforme mencionado acima, apresenta um grande número de componentes que necessitam de alinhamento, sendo complicado e de custo elevado. É importante salientar que

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5/24 nenhum dos métodos descritos acima consideram a medição do deslocamento térmico (“thermal drift”) do eixo-árvore.

Sumário da Invenção [019] Um objetivo da presente invenção consiste em um novo método para avaliar os erros de rotação de eixosárvore que utiliza um laser interferométrico capaz de medir os erros de rotação radial e axial, bem como, os deslocamentos térmicos (“thermal drift”) radial e axial de eixos-árvore. Neste método, as medições são realizadas pela reflexão do feixe de laser diretamente através da superfície de uma esfera padrão, sendo que a referida esfera apresenta um excelente acabamento superficial e uma alta exatidão de circularidade. Assim, nesta configuração, a superfície da esfera é usada como um refletor óptico, não sendo necessário o emprego do retrorefletor padrão (“cubecorner”).

[020] Outro objetivo da presente invenção é um método para avaliar os ditos erros de rotação de eixos-árvore com alta precisão e que obtenha o comportamento de tais erros em altas velocidades de rotação.

[021] Tendo em vista a superação das limitações dos métodos de medição de erros de rotação de eixos-árvore conhecidos da técnica, a presente invenção emprega ainda uma lente convergente para focar o feixe de laser num pequeno ponto na superfície da esfera, de forma a evitar grande perda de energia devido à reflexão do feixe numa superfície esférica.

[022] De acordo com a presente invenção, o percurso completo do feixe é o seguinte: o feixe de laser atravessa o orifício de saída do cabeçote do laser e passa, em seguida,

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6/24 através de um interferômetro linear. Atrás deste componente é montada a lente convergente por intermédio de um suporte. Assim, o feixe de laser sofre uma deflexão angular na lente e é focado em um pequeno ponto na superfície da esfera. A seguir, ele é refletido, regressando para a lente e para o interferômetro e, por fim, para o orifício de retorno do cabeçote do laser.

[023] O sistema da presente invenção é controlado por um cartão eletrônico, responsável pelo controle da operação do laser interferométrico, apresentando uma alta velocidade de processamento, sendo possível, nesta conformidade, obter o comportamento dos erros de rotação do eixo-árvore em altas velocidades de rotação.

[024] Além disso, tais erros são medidos com alta precisão devido à alta exatidão, repetibilidade e resolução do laser interferométrico.

[025] O presente invento permite a avaliação da precisão de rotação de eixos-árvore de máquinas-ferramenta e equipamentos de precisão.

[026] Como já foi mencionado anteriormente, a análise dos erros de rotação fornece uma medida do grau de precisão da máquina (ou equipamento), bem como uma guia para a compra e manutenção da mesma. É, pois, uma ferramenta para melhorar a qualidade do produto fabricado pela máquina.

[027] O sistema de medição, proposto na presente invenção, apresenta as seguintes vantagens e características:

(a) Lasers interferométricos fornecem maior resolução do que os outros tipos de transdutores. Os erros são medidos com resolução de 1 nm. Estes erros são avaliados com alta

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7/24 precisão devido à alta exatidão, repetibilidade e resolução do laser interferométrico;

(b) O layout óptico do sistema é bastante simples. Ele consiste de uma lente convergente que está fixa ao interferômetro através do seu suporte. Desse modo, o feixe do laser é focado num ponto da superfície da esfera padrão, que é empregada aqui como retrorefletor;

(c) O referido cartão eletrônico que controla o laser interferométrico tem alta frequência de aquisição de dados. Portanto, um bom quadro dos erros de rotação pode ser obtido mesmo em altas velocidades de rotação do eixo-árvore. Por exemplo, numa aplicação do sistema segundo a invenção um laser interferométrico 5529A da Hewlett Packard (vide Hewlett Packard, HP 10887P Programmable PC Calibrator Board - Operating Manual”, Serial Prefix Numbers: 3322 and 3340, 1993) permite uma frequência de aquisição de dados de até 2,5 MHz. Isto é possível através do circuito eletrônico TBG (Time Base Generator”) presente no cartão do laser que faz as medições de forma repetida em intervalo de tempo pré-determinado. O usuário pode via software estabelecer o intervalo de tempo requerido;

(d) A área de medição, ou seja, o diâmetro do círculo do laser (spot size”) que incide na superfície da esfera padrão pode ser feito tão pequeno quanto necessário. Para outros métodos, essa área de medição é, em geral, bastante grande. O diâmetro deste círculo é diretamente proporcional ao comprimento focal da lente. Assim, utilizando lentes com menor comprimento focal obtém-se um menor spot size”;

(e) Lasers não interagem com o objeto sob teste e, portanto, não produzem ruídos na medição. Por exemplo, no caso dos transdutores mecânicos, a corrente de ar gerada

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8/24 nas proximidades do transdutor pode produzir turbulência no ar que gera ruído no sistema de medição. Isto é relevante no caso de eixos-árvore que giram em altas velocidades de rotação;

(f) O método proposto aqui pode utilizar dois tipos de interferômetros, a saber: interferômetro linear, também denominado de interferômetro de feixe duplo (“double beam interferometer”) e interferômetro de feixe simples (“single beam interferometer”). Como o interferômetro linear é de menor custo de aquisição, e mais fácil de se encontrar no mercado do que o interferômetro de feixe simples é preferível, em geral, o seu emprego;

(g) No método proposto é utilizado uma esfera padrão que é a referência metrológica. Embora essa esfera possua alta exatidão de circularidade, para a avaliação de erros radiais de eixo-árvore de ultraprecisão, pode ser necessário separar tais erros de circularidade dos erros radiais do eixo-árvore. Os ditos erros de circularidade da esfera são determinados por uma máquina de medição de circularidade de altíssima exatidão. Em seguida, esses erros são introduzidos pelo usuário no software do sistema, e armazenados em um arquivo eletrônico. O programa de aquisição de dados após processamento matemático das medições efetuadas pelo laser desconta tais erros da esfera. Consequentemente, no sistema ora proposto, os erros de circularidade da esfera padrão são compensados via software, escrito em Pascal, usando o Turbo Pascal da Borland, versão 6.0, e o sistema operacional DOS, chamado de Calibrador de Erros de Rotação de Eixos-árvore, de autoria do inventor da presente invenção;

(h) Não há necessidade de medir a excentricidade entre

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9/24 o eixo de rotação da árvore e o centro da esfera padrão no caso da avaliação do erro radial e do deslocamento térmico (“thermal drift”) radial. Uma medida efetuada pelo laser interferométrico contém três componentes, a saber: erro de circularidade da esfera padrão, erro radial da árvore e excentricidade entre o eixo de rotação da árvore e o centro da esfera (“set-up error”). Esta medida do laser é chamada de “batida radial do eixo-árvore”. Antes de apresentar os erros radiais da árvore na forma de gráfico em coordenadas polares, é necessário remover a excentricidade da esfera padrão dos dados da batida radial coletados pelo laser. Na realidade, esta excentricidade não constitui em si, um erro de rotação da árvore. Ela surge devido à dificuldade de alinhamento na montagem. No sistema ora proposto, o erro de centragem da esfera é removido no programa computacional através do método dos mínimos quadrados. Assim, os erros radiais são plotados em relação ao centro do círculo dos mínimos quadrados (“least squares circle centre”); e (i) O método, aqui, ensinado permite a avaliação do deslocamento térmico (“thermal drift”) radial e axial do eixoárvore. Outros métodos que foram mencionados anteriormente não consideram a medição destes erros de rotação.

Breve Descrição dos Desenhos [028] A Figura 1 ilustra o sistema de medição para avaliar o erro radial e o deslocamento térmico (“thermal drift”) radial do eixo-árvore de um torno de acordo com a presente invenção.

[029] A Figura 2 ilustra o mandril com ajuste angular em escala reduzida de acordo com a presente invenção, previsto no sistema.

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10/24 [030] A Figura 3 ilustra o sistema de medição para avaliar o erro axial e o deslocamento térmico (“thermal drift”) axial do eixo-árvore de um torno de acordo com a presente invenção.

[031] A Figura 4 ilustra um gráfico polar do erro radial total de um eixo-árvore do centro de usinagem Takisawa, obtido em teste, de acordo com o sistema da presente invenção.

[032] A Figura 5 ilustra um gráfico polar do erro radial médio do eixo-árvore do centro de usinagem Takisawa, obtido em teste, de acordo com o sistema da presente invenção.

[033] A Figura 6 ilustra um gráfico polar do erro axial total do eixo-árvore do centro de usinagem Takisawa, obtido em teste, de acordo com o sistema da presente invenção.

[034] A Figura 7 ilustra um gráfico polar do erro axial médio do eixo-árvore do centro de usinagem Takisawa, obtido em teste, de acordo com o sistema da presente invenção.

[035] A Figura 8 ilustra um gráfico do deslocamento térmico (“thermal drift”) radial do eixo-árvore do centro de usinagem Takisawa em função do tempo, numa velocidade de rotação de 1700 rpm, de acordo com a presente invenção.

[036] A Figura 9 ilustra uma tabela de dados obtidos em teste na avaliação do deslocamento térmico (“thermal drift”) radial do eixo-árvore do centro de usinagem Takisawa na velocidade de rotação de 1700 rpm; identificação dos arquivos, tempo de criação do arquivo, raio do círculo dos mínimos quadrados, excentricidade da esfera padrão, erro global do gráfico polar do erro radial total, de acordo com a presente invenção.

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11/24 [037] A Figura 10 ilustra um gráfico do deslocamento térmico (“thermal drift”) axial do eixo-árvore do centro de usinagem Takisawa em função do tempo, numa velocidade de rotação de 4500 rpm, de acordo com a presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção [038] As características e vantagens do presente sistema de calibração para avaliar os erros de rotação de eixos-árvore de máquinas e equipamentos através de um laser interferométrico serão evidenciadas aqui, fazendo referência aos desenhos, onde:

[039] O sistema de medição para avaliar o erro radial e o deslocamento térmico (“thermal drift”) radial em um torno universal, como ilustrado na Fig. 1, compreende os seguintes componentes: cabeçote do laser (1), interferômetro linear (2), retrorefletor (3), lente convergente (4), suporte da lente (5), dispositivo de avanço por parafuso (7), esfera padrão (8), espelho plano (9), mandril com ajuste angular (10), sistema de laser diodo (11), gerador de pulso (12), cartão eletrônico do laser (13), microcomputador (14) e uma impressora (15).

[040] Inicialmente, algumas definições são introduzidas sobre a teoria relacionada com a avaliação da precisão de rotação de eixos-árvore. No ponto instantâneo de usinagem entre o par peça-ferramenta, existe uma direção segundo a qual a precisão de usinagem é mais afetada. Esta direção é chamada de direção sensitiva. Há dois tipos de direção sensitiva: (a) direção sensitiva fixa é aquela situação onde a peça de trabalho gira pela ação motora do eixoárvore da máquina e o ponto de usinagem é fixo; e b) direção sensitiva rotacional ocorre quando a peça de

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12/24 trabalho é estacionária e o ponto de usinagem gira com a árvore da máquina. Como exemplo do tipo (a), tem-se o torno e do caso (b), a mandriladora (vide norma ANSI/ASME B89.3.4M - 1985, “Axes of rotation - Methods for specifying and testing, sponsored and published by The American Society of Mechanical Engineers” (ASME), 1985) .

[041] O sistema de calibração da presente invenção permite medir erros de rotação de eixos-árvore que apresentam tanto direção sensitiva fixa como direção sensitiva rotacional.

[042] A disposição visualizada na Fig.1, é usada apenas para a situação de direção sensitiva fixa, que é o caso do torno.

[043] De outro modo, para o caso de uma máquina que apresenta direção sensitiva rotacional, que é o caso da mandriladora de furos, devem ser usados dois eixos ópticos, ou seja, um laser interferométrico com dois interferômetros lineares e duas lentes com seus eixos ópticos perpendiculares entre si. Desta forma, a esfera padrão terá dois “laser spots” na sua superfície, separados entre si de 90°, sendo que cada eixo óptico terá um interferômetro e uma lente. Obviamente, a fim de implementar esta configuração, será necessário alguns componentes ópticos auxiliares para dividir o feixe de laser original que sai do cabeçote do laser (1) em dois feixes secundários, os quais alimentarão os dois interferômetros separadamente. [044] O princípio básico desse método é transferir o erro de rotação do eixo-árvore para uma esfera padrão que opera como um retrorefletor. A esfera (8) é afixada na extremidade do mandril (10) que é montado na placa do eixoPetição 870170088750, de 17/11/2017, pág. 27/44

13/24 árvore. Como já mencionado anteriormente, o laser interferométrico mede a batida radial do referido eixoárvore. Esta contém o erro de circularidade da esfera padrão, o erro radial da árvore e a excentricidade da esfera. Tal mandril (10) possui um mecanismo que permite ajuste angular do eixo de revolução da esfera (8). Desse modo, é possível reduzir o erro de centragem da esfera (8), minimizando assim a componente da excentricidade da batida radial.

[045] A Fig. 2 mostra o conjunto esquemático do mandril (10), onde o cilindro com esfera padrão (16) é montado centralmente no cilindro para fixação (17) por meio do pivô esférico (18) e da placa de basculamento (19), sendo o cilindro para fixação (17) e a placa de basculamento (19) atravessados por 6 parafusos de ajuste (20).

[046] O mandril (10) possui seis parafusos de ajuste (20), os quais são previstos para serem acionados, manualmente, para reduzir a excentricidade do eixo de centro da esfera (8) padrão em relação ao eixo de rotação da árvore da máquina. Com o giro dos parafusos de ajuste, o cilindro com esfera padrão (16) sofrerá pequenos deslocamentos angulares que visam reduzir a excentricidade da esfera (8).

[047] Segundo a invenção, o laser interferométrico adquire a batida radial durante um número consecutivo de revoluções da árvore. Este número é escolhido pelo usuário no programa de aquisição de dados. As medidas da batida radial são armazenadas na memória do computador. Em seguida, tais medidas são interpoladas e salvas num arquivo de dados no disco rígido do computador. O número de dados

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por revolução (rev),	que	se deseja,	pode	ser selecionado	no
software do sistema.
[048] O programa	de	aquisição	de	dados controla	o
cartão eletrônico do	laser (13)	que	é instalado	no
microcomputador.
[049] O suporte	da	lente (5)	é	fixado atrás	do
interferômetro linear	(2	). Isto é	feito	para facilitar	o

alinhamento do sistema óptico.

[050] Com o objetivo de iniciar e terminar o processo de coleta de dados em um mesmo ponto é necessário detectar precisamente uma revolução da árvore. Para este fim, um dispositivo de disparo óptico-eletrônico é empregado. Ele é constituído de dois elementos, a saber: a) sistema de laser diodo (11); b) gerador de pulso (12). O primeiro elemento produz um par de sinal analógico a partir de uma fotocélula de quatro quadrantes (“photo-quadrant sensor”). O segundo converte os sinais analógicos num pulso quadrado estreito. Este pulso é transmitido para o cartão eletrônico do laser (13) a fim de iniciar o processo de aquisição de dados e contar o número de revoluções da árvore através do software. [051] O dito interferômetro linear (2) é montado na base do dispositivo de avanço por parafuso (7). Este dispositivo é preso por parafusos no posto da ferramenta (6). Ainda, o interferômetro (2) pode se movimentar verticalmente para cima ou para baixo, girando-se a porca do parafuso (passo = 0,5 mm) do dispositivo (7).

[052] Para se conseguir o alinhamento do laser, os seguintes movimentos manuais de ajuste são fornecidos: vertical (Vh) e transversal (Th) do cabeçote do laser (1); longitudinal (Lp) e transversal (Tp) do carro do torno;

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15/24 vertical (V_d) do dispositivo (7) . Desse modo, é possível obter um alinhamento do laser maior que 90% de reflexão. [053] O deslocamento térmico (“thermal drift”) do eixoárvore é uma das opções que é oferecida pelo software para o usuário. O procedimento para obter o deslocamento térmico (“thermal drift”) radial em função do tempo é descrito abaixo.

[054] Inicialmente, a máquina antes do teste deve estar em “estado frio”, isto é, na temperatura ambiente. Quando o teste começa, o computador adquire, no instante t = 0, a batida radial da árvore durante um certo número de revoluções e armazena os dados num arquivo com nome da extensão '.S01'. Daí em diante, este processo é repetido periodicamente num certo intervalo de tempo. No caso desse intervalo ser de 20 minutos, então, em t = 20 min., o segundo arquivo “drift” com extensão '.S02' é coletado. Em t = 40 min., o terceiro arquivo '.S03' é adquirido. Esta rotina continua até atingir o número de arquivos “drifts” que se deseja coletar. Ambos, o intervalo de tempo bem como o número de arquivos “drifts” requeridos são definidos pelo usuário no programa de aquisição de dados.

[055] O dito deslocamento térmico (“thermal drift”) radial é calculado através do método dos mínimos quadrados que é aplicado às medidas da batida radial que estão armazenadas nos arquivos “drifts” '.SXX'. Logo, para o exemplo citado acima, os valores do deslocamento (“drift”) radial são obtidos nos instantes de tempo t = 0, 20, 40 minutos, e assim por diante, até a duração do teste.

[056] Em virtude da possibilidade de alteração da velocidade do eixo-árvore durante o teste, o número de dados

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16/24 efetivamente coletados em cada revolução pode variar. Com o propósito de plotar os erros do eixo de rotação em função da posição angular da árvore, o número de dados deve ser o mesmo para cada revolução. O número de dados por revolução (rev) Nc que o usuário deseja é entrado no programa “System Setup” via teclado. Este programa é empregado para introduzir os parâmetros do sistema de medição bem como as especificações do usuário no software. O valor de Nc e de outros parâmetros são armazenados no arquivo de configuração do software. Uma técnica de interpolação é empregada para converter o número de dados por revolução efetivamente adquiridos no número de dados/rev Nc desejado pelo usuário. Esta técnica consiste em gerar valores de batida radial nas posições angulares definidas pela resolução de Nc por meio da interpolação linear entre duas medidas adjacentes da batida radial coletadas pelo laser interferométrico.

[057] Conforme dito anteriormente, os erros de circularidade da esfera padrão são introduzidos pelo usuário no software. O programa de aquisição de dados subtrai estes erros dos valores interpolados da batida radial. O resultado desta operação é armazenado no disco rígido do computador.

[058] A seguir, o processo de compensação dos erros de circularidade da esfera padrão é descrito em detalhes:

(a) Os erros de circularidade da esfera padrão são introduzidos no software no sentido anti-horário, considerando que o observador está de frente para a esfera. Supondo que trinta e seis valores do erro de circularidade sejam entrados no software com intervalo angular uniforme de modo a abranger

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17/24 o ângulo de 360° da esfera. Assim, a resolução angular é, neste caso, de 10°;

(b) O programa de aquisição de dados armazena os erros num arquivo que contém duas colunas. Na primeira coluna, os erros são ordenados no sentido anti-horário. Já a segunda coluna dispõe os erros da esfera no sentido horário. Isto é feito para considerar o sentido de rotação do eixo-árvore da máquina em teste. Este sentido é especificado pelo usuário através do programa “System Setup”. Tal informação fica armazenada no arquivo de configuração do software; e (c) Foi dito anteriormente que os valores da batida radial da árvore são interpolados de modo a produzir o número de dados/rev Nc que o usuário deseja. Para a correta compensação dos erros da esfera é imprescindível que o número de erros de circularidade da esfera, no ângulo de 360°, seja também igual a Nc. Para isso, os erros de circularidade da esfera são também interpolados de modo a resultar na mesma resolução angular de Nc.

[059] Como já descrito anteriormente, as medidas da batida radial contêm a excentricidade da esfera padrão. Assim, antes de apresentar os erros radiais da árvore, o erro de centragem da esfera é removido dos valores da batida radial. Isto é feito através do método dos mínimos quadrados. O software mostra, na tela do computador, os gráficos polares do erro radial (“radial error motion polar plots”) e seus respectivos erros globais (“error band”) em relação ao centro do círculo dos mínimos quadrados. Os seguintes gráficos polares podem ser traçados empregando uma impressora: erro radial total (“radial total error motion”); erro radial médio (“radial average error motion”);

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18/24 erro radial assíncrono (“radial asynchronous error motion”); erro radial exterior (“radial outer error motion”); erro radial interior (“radial inner error motion”). O gráfico cartesiano do erro radial total em função da posição angular da árvore pode ser também plotado (vide norma ANSI/ASME B89.3.4M - 1985).

[060] Em relação ao deslocamento térmico (“thermal drift”) do eixo-árvore, o software pode exibir na tela do monitor os seguintes resultados: 1) gráfico do “drift” radial em função do tempo; 2) dados do “drift” radial que consiste os seguintes parâmetros: para cada arquivo “drift” '.SXX' adquirido ao longo do teste é plotado o instante de tempo em que o mesmo foi criado, o raio do círculo dos mínimos quadrados (“least squares radius”), a excentricidade (X,Y) da esfera padrão e o erro global do gráfico do erro radial total (“error band of the total error motion polar plot”).

[061] O sistema de medição para avaliar o erro axial e o deslocamento térmico (“thermal drift”) axial em um torno universal (21), de acordo com a presente invenção, apresenta a disposição construtiva mostrada na Fig. 3.

[062] Basicamente, tal sistema é similar ao caso radial ilustrado na Fig. 1. O sistema é constituído pelos seguintes componentes, a saber: cabeçote do laser (1), interferômetro linear (2), retrorefletor (3), lente convergente (4), suporte da lente (5), dispositivo de avanço por parafuso (7), esfera padrão (8), espelho plano (9), mandril com ajuste angular (10), sistema de laser diodo (11).

[063] O interferômetro (2) é montado no dispositivo de avanço por parafuso (7) de maneira que o retrorefletor (3)

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19/24 fique alinhado com o cabeçote do laser (1). Através do carro porta-ferramenta do torno, o eixo óptico da lente é deslocado a fim de coincidir com o eixo de simetria da árvore.

[064] O programa de aquisição de dados é o mesmo que o do caso do erro radial. Na configuração da Fig. 3, a batida axial da árvore consiste de duas componentes: a) erro axial fundamental (“fundamental axial motion”); e b) erro axial. O primeiro tipo está sempre presente nas medidas da batida axial e não é causado pela excentricidade da esfera padrão. Ele consiste de um movimento axial alternativo do eixo de rotação da árvore que ocorre uma vez por revolução e pode, por exemplo, ser causado pelo desalinhamento dos componentes do mancal axial (vide norma ANSI/ASME B89.3.4M - 1985). Por meio do método dos mínimos quadrados, o erro axial fundamental é removido das medidas da batida axial. O software apresenta o erro axial em gráficos polares cuja origem é o centro do círculo dos mínimos quadrados. Como no caso radial, os erros globais (“error band”) associados a cada tipo de gráfico polar do erro axial são também determinados. Assim, podem ser traçados numa impressora, o erro axial total (“axial total error motion”) , erro axial médio (“axial average error motion”), etc.

[065] Cabe ressaltar, que no caso da Fig. 3, o mandril (10) não é capaz de reduzir o erro axial fundamental.

[066] Na Fig. 3, o feixe de laser é focado no topo da esfera padrão numa pequena área (“spot size”). O eixo óptico da lente coincide com a linha de centro da árvore. Portanto, em termos teóricos, o laser faz as medições sobre uma mesma região da esfera padrão. Por conseguinte, neste

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20/24 caso não é necessário compensar os erros de circularidade da esfera.

[067] Por fim, o programa para avaliar o deslocamento térmico (“thermal drift”) axial é o mesmo que aquele do deslocamento (“drift”) radial.

TESTES

Aplicação do Calibrador de Erros de Rotação de EixosÁrvore em um Centro de Usinagem CNC [068] A seguir é descrito testes realizados com o sistema da presente invenção e os resultados obtidos na avaliação dos erros de rotação da árvore em um centro de usinagem CNC.

[069] O teste em questão foi aplicado em uma máquina com as seguintes especificações técnicas:

- Tipo: Takisawa Mac-V3 de 3 eixos com eixo-árvore vertical;

- Curso (mm): 510 x 400 x 360 (longitudinal da mesa x lateral da mesa x vertical do eixo-árvore);

- Sistema de controle: FANUC System 6MB Series; e

- Eixo-árvore: diâmetro = 55 mm, motor de 7,5 Horsepower ( = 5,6 kW), faixa de velocidade 60 - 6000 rpm.

Teste para Avaliar o Erro Radial e Axial [070] O equipamento especificado para a realização do teste para avaliar o erro radial e axial consiste em um laser interferométrico 5529A da Hewlett Packard que apresenta as seguintes características técnicas (vide Hewlett Packard, “HP 10887P Programmable PC Calibrator Board Operating Manual”, Serial Prefix Numbers: 3322 and 3340, 1993):

a) Resolução de 1 nm usando interferômetro linear;

b) Comprimento de onda da luz do laser no vácuo λ·.· =

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632,991354 nm;

c) Cartão eletrônico de controle HP 10887P; e

d) Frequência de aquisição de dados de até 2,5 MHz, quando estiver operando na base do tempo através do circuito eletrônico TBG (“Time Base Generator”).

[071] Além disso, uma lente convergente de diâmetro 25,4 mm com comprimento focal f = 60 mm e um interferômetro linear HP 10565B foram utilizados.

[072] Ainda, um alinhamento do laser de 96% de reflexão foi obtido usando uma esfera padrão de carboneto de tungstênio com diâmetro igual a 12,000 mm e uma rugosidade superficial R_a = 7 nm (desvio médio aritmético).

[073] Antes dos testes, o software é configurado a fim de estabelecer os parâmetros do sistema de medição bem como as especificações do usuário, que, como já dito anteriormente, é executado através do programa “System Setup”. Entre os parâmetros que são introduzidos, via teclado, através deste programa, podem-se citar: endereço eletrônico do cartão do laser, comprimento focal da lente, diâmetro da esfera padrão (“ball diameter”), número de dados/rev (Nc) que se deseja, tipo do erro de rotação em teste (radial ou axial), nome do arquivo contendo os erros de circularidade da esfera padrão, caminhos dos diretórios de dados e do programa. Todos esses parâmetros são armazenados no arquivo de configuração do software 'setup2s.inf'.

[074] No teste do erro radial e deslocamento térmico (“thermal drift”) radial, o cabeçote do laser (1) foi alinhado com o eixo “x” da máquina. Na avaliação do erro radial e axial, o eixo-árvore foi rotacionado no sentido antiPetição 870170088750, de 17/11/2017, pág. 36/44

22/24 horário (observador de frente para a esfera padrão) numa velocidade de 1000 rpm.

[075] As medidas da batida radial e axial foram coletadas em cinco revoluções consecutivas numa taxa de aquisição de 500 dados/rev. Os erros radial total e médio do eixo-árvore do centro de usinagem estão ilustrados nas Figs. 4 e 5, respectivamente. No referido programa de aquisição de dados são introduzidas, via teclado, as seguintes informações do teste pelo usuário: nome do arquivo de dados (filename); nome da máquina (machine); data do teste (test date); número de revoluções (number of revolutions).

[076] Após o teste, o software determina a velocidade de rotação da árvore (spindle speed), o erro global (error band) de cada tipo de gráfico polar e a excentricidade (X,Y) da esfera padrão em pm. O erro global (error band) é a diferença entre os raios do máximo e mínimo círculos que delimitam a curva do erro de rotação em análise. O centro desses círculos é o do círculo dos mínimos quadrados (least squares circle).

[077] O erro radial médio do eixo-árvore, conforme ilustrado na Fig. 5, é calculado pelo valor médio, em cada posição angular, do erro radial total das cinco revoluções, conforme ilustrado na Fig. 4.

[078] Em outro teste, foram determinados o erro axial total e médio do eixo-árvore que estão apresentados nas Figs. 6 e 7, respectivamente.

Teste para Avaliar o Deslocamento Térmico (“Thermal Drift) [079] Para avaliar o deslocamento térmico (thermal drift) radial, a árvore foi acionada a partir do estado

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23/24 frio” (máquina na temperatura ambiente) por um período de tempo de 7 horas com uma velocidade de 17 00 rpm. A Fig. 8 apresenta o gráfico do deslocamento (“drift”) radial em função do tempo do eixo-árvore do centro de usinagem. O erro radial do eixo-árvore foi adquirido a cada 30 minutos. Assim, o computador armazenou no seu disco rígido 15 arquivos, isto é, T_RD1700.S01-S15. O máximo deslocamento (“drift”) radial durante o teste foi de 2 pm.

[080] A Fig. 9 ilustra os resultados numéricos (“Drift Data”) de cada arquivo “drift” 'SXX'.

[081] O comportamento do deslocamento (“drift”) axial do eixo-árvore do Takisawa está representado no gráfico da Fig. 10. Este experimento foi realizado com a árvore girando durante 5 horas com velocidade de 4500 rpm partindo do “estado frio”. O erro axial foi armazenado a cada 30 minutos, resultando em 11 arquivos “drifts” (T_XD4500.S01S11). O gráfico indica que após 3,5 horas de funcionamento o eixo-árvore da máquina alcançou a estabilidade térmica. A máxima expansão do eixo-árvore foi de 55 pm.

[082] Finalmente, nos testes para avaliar o erro radial e axial, a compensação das variações do comprimento de onda do laser em função das condições atmosféricas não é implementado no software. Isto se deve ao fato de que como as medidas (“error motion”) realizadas pelo laser interferométrico são tão pequenas neste caso, o valor a ser compensado devido à mudança no dito comprimento de onda do laser no ar seria insignificante. Entretanto, nos testes do deslocamento térmico (“thermal drift”), os parâmetros atmosféricos, a saber, temperatura, pressão e umidade relativa do ar são monitorados. Estes parâmetros são

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24/24 introduzidos no software, via teclado, durante o teste, sempre que houver mudança nas condições atmosféricas. Isto visa compensar pelo erro de deadpath do laser interferométrico. Não obstante, esta correção é desnecessária nos testes de curta duração como no caso da avaliação do erro radial e axial.

[083] Será apreciado que detalhes das modalidades anteriores, providos para fins de ilustração, não devem ser interpretados como limitantes do escopo da presente invenção. Embora apenas algumas modalidades exemplares desta invenção tenham sido descritas em detalhes acima, aquelas pessoas versadas na técnica prontamente apreciarão que muitas modificações são possíveis nas modalidades exemplares sem fugir materialmente dos novos ensinamentos e das vantagens da presente invenção. Consequentemente, todas tais modificações são pretendidas de ser incluídas no escopo desta invenção, a qual é definida pelas reivindicações anexas e todas equivalentes as mesmas. Adicionalmente, é reconhecido que muitas modalidades podem ser concebidas que não atingem todas as vantagens de algumas modalidades, especificamente das modalidades preferidas, ainda que na ausência de uma vantagem específica, não será tida como significando, necessariamente, que uma tal modalidade esteja fora do escopo da presente invenção.

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Claims (11)

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de calibração que compreende um cabeçote do laser (1), um interferômetro linear (2), um retrorefletor (3), uma lente convergente (4), o suporte da lente (5), um dispositivo de avanço por parafuso (7), uma esfera padrão (8), o cartão eletrônico do laser (13), um microcomputador (14) e uma impressora (15), caracterizado pelo fato de avaliar os erros de rotação e deslocamento térmico radial e axial de eixos-árvore de máquinas e de equipamentos através do referido laser interferométrico, mediante a transferência do erro de rotação do eixo-árvore para a dita esfera (8) que é afixada na extremidade de um mandril com ajuste angular (10) montado na placa do eixoárvore, sendo que o referido laser interferométrico mede, em sucessivas revoluções, a batida radial do eixo-árvore, contendo a excentricidade da dita esfera (8) em relação ao eixo de rotação ideal da árvore, os erros radiais da árvore e os erros de circularidade da esfera (8), onde cada revolução do eixo-árvore é detectada por meio do dispositivo óptico-eletrônico constituído pelo sistema de laser diodo (11) e pelo gerador de pulso (12), os quais iniciam e terminam o processo de aquisição de dados em uma mesma posição angular (origem 0°) da árvore definida pelo espelho plano (9), através da contagem do número de pulsos elétricos produzidos pelo dito gerador (12), de forma a permitir que seja removido o erro de centragem da esfera (8) das medidas da batida radial e compensados os erros de circularidade da dita esfera (8).

2/4 realizada por meio da reflexão do feixe de laser diretamente através da superfície de uma esfera padrão (8), em que o dito feixe de laser atravessa o orifício de saída do cabeçote do laser (1) e passa, em seguida, através de um interferômetro linear (2), sendo que atrás do referido interferômetro (2) é montada a lente convergente (4) por meio de um suporte (5), tal que o feixe de laser sofra uma deflexão angular na lente (4) e seja focado num pequeno ponto na superfície da esfera padrão (8) e após refletido, regressando para a lente (4) e ao interferômetro linear (2) e por fim para o orifício de retorno do cabeçote do laser (1).

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a avaliação dos erros de rotação e deslocamento térmico radial e axial de eixos-árvore, ser

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3/4 computador (14).

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado pelo fato de que para a medição dos erros de rotação e de deslocamento térmico axial, o feixe de laser é focado em um mesmo ponto no topo da dita esfera (8), sem haver compensação dos erros de circularidade da referida esfera (8).

4/4 por ser utilizado um interferômetro de feixe simples ou um interferômetro de feixe duplo.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado pelo fato de o laser interferométrico ser controlado por um cartão eletrônico (13), que apresenta frequência de aquisição de dados de até 2,5 MHz.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado pelo fato de o laser interferométrico adquirir a batida radial durante um número consecutivo de revoluções da árvore, sendo tais medidas armazenadas na memória do computador (14) e, em seguida interpoladas de forma a obter o resultado na resolução angular definida pelo Nc (número de dados desejados/rev), sendo os erros de circularidade da esfera padrão (8) subtraídos de tais valores interpolados e os resultados obtidos armazenados no

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6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a medição da batida axial é realizada sem a compensação dos erros de circularidade da referida esfera (8).

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado pelo fato de que o interferômetro linear (2) é montado na base do dispositivo de avanço por parafuso (7), preso por parafusos no posto da ferramenta (6), em que girando-se a porca do parafuso (passo = 0,5 mm) do dito dispositivo (7), o interferômetro (2) é movimentado verticalmente para cima ou para baixo e alinhado na posição de trabalho, obtendo-se um alinhamento do laser superior a

90% de reflexão.

8. Sistema, de acordo com as reivindicações 1 e 7, caracterizado pelo fato de que os erros radiais da árvore e o seu deslocamento térmico radial x tempo, o erro de centragem da esfera padrão serem removidos dos valores da batida radial utilizando método matemático, antes de os resultados serem apresentados na forma de gráfico.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado pelo fato de que, no caso de máquinas com direção sensitiva rotacional, são usados dois eixos

ópticos, dois interferômetros e duas lentes com seus eixos ópticos perpendiculares entre si, os componentes ópticos auxiliares sendo necessários para dividir o feixe de laser original que sai do cabeçote do laser (1) em dois feixes secundários que alimentarão os dois interferômetros separadamente.

10. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9, caracterizado

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11. Mandril (10), compreendido no sistema de calibração definido nas reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de possuir um mecanismo de ajuste angular do eixo de revolução da esfera padrão (8), formado por um cilindro para fixação (17) com 6 (seis) parafusos de ajuste (20) acionados manualmente de forma a minimizar a dita excentricidade da esfera (8) antes do teste do eixoárvore da máquina, visando reduzir o erro de centragem da esfera padrão (8) em relação ao eixo de rotação ideal da árvore para que as medidas realizadas pelo laser interferométrico estejam dentro de sua faixa de medição.

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