MEDIÇÃO POR CONTACTO VERSUS MEDIÇÃO ÓPTICA EM MÁQUINAS
DE MEDIR POR COORDENADAS (3D)
Fernando Ferreira
CATIM – Centro de Apoio Tecnológico à Indústria Metalomecânica
RESUMO
A metrologia é, na actualidade, uma das áreas do conhecimento científico mais relevante e das que maior aplicabilidade tem nos meios
industriais, representando um dos mais importantes instrumentos de desenvolvimento tecnológico das empresas e contribuindo em grande
parte para a sua competitividade.
Neste contexto, a metrologia surge por um lado com a necessidade de esbater a confusão industrial e por outro lado procura implementar uma
cultura metrológica, isto é, tudo que seja passível de medição é sujeito a controlo.
Assim, partindo do princípio que sem comprovação metrológica não existe fiabilidade no processo e no fabrico de um produto, esta área tem
procurado desenvolver a sua actividade na concepção de meios de medição adequados às grandezas a controlar.
Desta forma, a metrologia dimensional com um peso de 36% no total da metrologia, foi capaz de desenvolver variados meios de medição.
No entanto, entre os vários meios de medição, aqueles que mais se têm evidenciado pela sua exactidão e versatilidade tem sido as MMC’s.
Estas máquinas têm dado um salto qualitativo no que diz respeito às suas capacidades e aos meios utilizados, permitindo-nos não só medir
mas sobretudo medir bem.
Como tal, procurar-se-á demonstrar que perante variadas formas de medir em MMC’s aquela que mais se aproxima da realidade é a medição
por contacto uma vez que representa a materialização mais próxima do real de uma dimensão, apresentando uma incerteza baixa.
No entanto, as medições em MMC’s com sistemas ópticos apresentam-se como medições versáteis e teoricamente fáceis, sobretudo na
realização de medições onde o contacto não é possível, no entanto estes sistemas apresentam incertezas associadas a cada medição mais
altos comparativamente com as medições por contacto, contabilizando dispersão, incerteza da MMC e incerteza do sistema óptico.
Assim, procurar-se-á fazer uma explanação da medição por contacto e da medição óptica apresentando os resultados obtidos e as respectivas
conclusões.
ABSTRACT
The metrology is one of the areas of the more excellent scientific knowledge and of that bigger applicability has to a large extent in half
industrials, representing one of the most important instruments of technological development of the companies and contributing for its
competitiveness. In this context, the metrology appears on the other hand with the necessity of reduce the industrial confusion and on the other
hand it looks for to implement a metrological culture, that is, everything that is possible of measurement is subject to control. Thus, leaving of
the principle that without metrological evidence does not exist reliability in the process and the production of a product, this area has looked for
to develop its activity in the conception of adequate ways of measurement to the largenesses to control. In such a way, the dimensional
metrology with one weight of 36% in the total of the metrology, was capable to develop varied half of measurement, however those that more
have proven for its accuracy and versatility have been the CMM's. These machines have given a qualitative jump in what it says respect to its
capacities and the used ways, allow-in not only measuring but over all to measure well. As such, it will be looked to demonstrate that before
varied forms to measure in CMM's that one that more is come close to the reality it is the measurement for contact a time that represents the
materialization next to the Real of a dimension, presenting an uncertainty low. However, the measurements in CMM's with optic systems are
presented as versatile measurements and theoretically easy, over all in the accomplishment of measurements where the contact is not possible,
however these systems present uncertainties comparativily higher associates to each measurement with the measurements for contact,
entering uncertainty and, dispersion uncertainty MMC of the optic system. Thus, to look it self to make a communication of the measurement for
contact and the optic measurement being presented the gotten results and the respective conclusions.
1. Introdução
O desenvolvimento industrial das últimas décadas,
em especial o desenvolvimento tecnológico nos
processos industriais, provocou alterações nas
exigências quanto à conformidade dos produtos
produzidos.
Todo o processo produtivo nas empresas foi-se
tornando cada vez mais flexível, sendo capaz de se
ajustar às cada vez maiores exigências do mercado,
procurando atingir processos de produção rápidos, de
menor custo e com elevados níveis de qualidade.
A qualidade, por sua vez foi aumentando
exponencialmente a partir do controlo de todo o
processo produtivo, isto é, passou-se a obter
melhores índices de qualidade a partir do cada vez
maior conhecimento de todo o processo.
Poder-se-á então afirmar que a crescente exigência
pela qualidade existente nas denominadas indústrias
de
ponta,
provocou
uma
aceleração
no
desenvolvimento
tecnológico
dos
sistemas
automáticos quer de produção quer de controlo de
componentes/peças nos últimos anos.
Da mesma forma que se desenvolveram as máquinas
de ferramenta e de produção também os meios de
controlo dimensional tiveram necessidade de se
desenvolver e adaptar de forma a não serem
limitativos nos controlos rápidos e exigentes que eram
necessários efectuar.
Assim, numa visão, sobre a evolução tecnológica que
tem ocorrido nos últimos anos, temos associado aos
crescentes níveis de qualidade um crescente controlo
metrológico em geral.
2. As Máquinas de
Coordenadas (MMC’s)
Medir
por
Num contexto, em que aumentam os meios de
controlo dimensional, surge aquele que maior
potencial apresenta no que diz respeito a este tipo de
controlo: As Máquinas de Medir por Coordenadas
(MMC’s), vulgarmente conhecidas como máquinas 3D
e que basicamente são equipamentos que medem as
características geométricas tridimensionais de
qualquer tipo de peças.
A primeira MMC surge em 1959 e foi desenvolvida
pela Ferranti, Ltd. Of Dalkeith, na Escócia.
De imediato foi introduzida na indústria de forma a
tentar acompanhar o ritmo da produção das máquinas
automatizadas, uma vez que os equipamentos
convencionais existentes não conseguiam dar a
resposta que muitas vezes se lhes exigia.
Desde então, as máquinas de medir por coordenadas
(MMC’s), cuja utilização se tem generalizado nas
mais diversas áreas da indústria, com especial
relevância nas exigentes indústrias automóvel,
espacial e aeronáutica, têm vindo a desempenhar um
papel fundamental no que diz respeito aos avanços
que a metrologia dimensional têm obtido nos anos
mais recentes.
Assim, as MMC’s apresentam-se como o recurso
mais poderoso que as industrias possuem para o
desenvolvimento de produtos e para o controlo
dimensional que devem realizar.
O desenvolvimento deste tipo de máquinas de medir
por coordenadas (MMC’s) foi favorecido também pela
evolução dos sistemas de medição de deslocamento
electrónicos.
Estes sistemas permitiram elevar a qualidade das
MMC’s e viabilizaram a sua integração nos sistemas
automatizados de fabricação e controlo.
Desta forma, as MMC’s pelas suas capacidades (boa
exactidão, boa flexibilidade e capacidade de
automatização) são já consideradas como um
equipamento indispensável nos processos produtivos
das empresas quer seja no desenvolvimento do
produto, no desenvolvimento de processos ou no
próprio controlo do processo.
Assim, as MMC’s tornaram-se, cada vez mais, parte
integrante dos sistemas de controlo da qualidade.
3. As Máquinas de Medir por
Coordenadas de Ponte Móvel e Mesa
Fixa
As máquinas de medir por coordenadas mais
frequentemente encontradas na indústria, laboratórios
e centros de investigação são as MMC’s de ponte
móvel e de mesa fixa.
Estas máquinas materializam um sistema de
coordenadas cartesiano, em que os três eixos (X, Y e
Z) são lineares e perpendiculares entre si.
Entre as principais vantagens deste tipo de máquinas
destacam-se a robustez, alto grau de estabilidade,
boa capacidade de carga da mesa e também um bom
volume útil de medição associado a uma muito boa
exactidão (caso especifico por exemplo da máquina
ZEISS UPMC Ultra).
Figura 1 - MMC ZEISS CONTURA G2
Length Measuring Uncertainty
MPE_E=1,9+L/300 (µm)
Figura 2 - MMC ZEISS UPMC Ultra
Length Measuring 1/2D Uncertainty
MPE_E=0,3+L/1000 (µm)
4. Sistemas de Medição
As MMC’s contam com sistemas mediante os quais é
efectuada a aquisição das coordenadas, normalmente
cartesianas, dos pontos a medir.
Na actualidade, as MMC’s contam com dois tipos de
sistemas de medição, os sistemas de medição por
contacto e os sistemas de medição de não contacto.
4.1. Sistemas de contacto
O sistema de contacto, vulgarmente conhecido como
sistema de apalpação, tem como finalidade fazer a
aquisição de um determinado ponto medido através
do contacto com a superfície a medir, apresentando
as coordenadas nos eixos X, Y e Z, relativamente a
um sistema de coordenadas definido.
Figura 3 – Exemplos de palpadores de uma
MMC Contura G2 da Zeiss
(sistema rotativo)
5. Vantagens e desvantagens nas
medições por e sem contacto
5.1. Vantagens
contacto
Figura 4 – Exemplos de palpadores de uma
MMC UPMC Ultra da Zeiss
(sistema fixo)
4.2. Sistemas de não contacto
Os sistemas de medição por não contacto, tem como
principal objectivo, tal como o sistema por contacto, a
aquisição de coordenadas de um ponto localizado
numa superfície da qual se pretende obter medições.
Uma vez que na indústria actual muitas peças são de
grande complexidade geométrica, onde muitas vezes
é de todo impossível obter medições através do
contacto com um simples apalpador, os principais
fabricantes de MMC’s desenvolveram novos
equipamentos para as máquinas de forma a
substituir, em medições muito especificas, os
habituais apalpadores de contacto.
Entre esses equipamentos destacam-se dois pelas
suas capacidades e versatilidade.
dos
sistemas
de
O sistema de contacto tem como função transmitir ao
processador da máquina a existência de um toque
numa determinada superfície de forma a registar as
coordenadas desse ponto onde se efectuou o
contacto e simultaneamente efectuar a travagem e
consequente paragem da máquina.
Apesar deste meio de controlo ser mecânico, é um
sistema flexível que permite efectuar a esmagadora
maioria das medições.
Entre as principais vantagens dos sistemas de
medição por contacto destacam-se:
• Incertezas de medição baixas (caso da
máquina UPMC Ultra que tem uma
incerteza de 0,3+L/1000 µm, com L em
mm);
• Muito boa versatilidade.
5.2. Desvantagens dos sistemas de
contacto
Estes sistemas apesar de versáteis também têm
algumas desvantagens que se deve ter em conta.
Entre essas desvantagens destacam-se:
• A deformação que pode provocar na peça
a medir no momento do contacto;
• A impossibilidade de efectuar medições
em superfícies reduzidas e de difícil
acesso.
Figura 5 - O sistema de leitura óptica da
Zeiss, ViSCAN.
Figura 6 - Os sistemas de leitura lazer da
Zeiss, WOF&BECK.
5.3. Vantagens dos sistemas de não
contacto
O método de medição sem contacto, têm-se
mostrado como uma solução atractiva na medição
geométrica de peças e apresenta como principais
vantagens:
• Total ausência de contacto com a
superfície a medir;
• Não provoca deformação das peças ao
medir;
• Boa riqueza de detalhes, o que permite
efectuar medições de cotas com
dimensões muito reduzidas onde o
contacto é muitas vezes impossível;
• Permite digitalizar de modelos;
• Permite efectuar o que vulgarmente é
conhecido como engenharia inversa.
5.4. Desvantagens dos sistemas de
não contacto
6.2. As medições por leitura óptica
Valores Obtidos (Bloco Padrão 150 mm)
Apesar da versatilidade destes sistemas, ainda
existem algumas desvantagens que tendem a
esbaterem-se cada vez mais.
Entre as principais desvantagens destacam-se:
• Incertezas de medição ainda altas,
quando comparadas com os sistemas de
medição por contacto;
• Possibilidade
de
existir
distorções
provocadas pela lente.
6. Medição por Contacto versus
Medição com Sistema Óptico – Um
caso prático
150,0121
150,0119
150,0116
150,0116
150,0116
150,0116
150,0118
150,0116
150,0120
150,0119
150,0120
150,0120
150,0120
150,0115
150,0119
150,0120
150,0117
150,0117
150,0116
150,0115
150,0116
150,0119
150,0120
150,0120
150,0116
150,0117
150,0114
150,0117
150,0116
150,0116
Media
Var
Count
u (med.)
Erro
Incerteza
Expandida
150,0118 mm
3,9E-08
30
± 0,04 µm
0,0118 µm
± 12 µm
Medição sem contacto
150,0200
150,0150
150,0050
150,0000
149,9950
149,9900
149,9850
149,9800
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
nº medições
Valores obtidos
Valor do padrão
Limite inferior
Limite superior
6.3. As incertezas da MMC Contura G2
6.1. As medições por contacto
Valores Obtidos (Bloco Padrão 150 mm)
Incerteza da MMC Contura G2 U = 1,9 + (L / 300) µm, (com L em mm)
149,9997
149,9996
149,9997
149,9997
149,9998
149,9997
149,9991
149,9994
149,9993
149,9993
149,9994
149,9992
149,9995
149,9996
149,9994
149,9995
149,9996
149,9995
149,9997
149,9997
149,9998
149,9995
149,9996
149,9996
149,9995
149,9995
149,9996
149,9996
149,9994
149,9996
Media
Var
u (med.)
Erro
Incerteza
Expandida
Count
150,0100
valores obtidos
Conforme tem sido descrito, quer a medição por
contacto, quer a medição através de sistema óptico,
apresentam enormes potencialidades, no entanto, foi
através da medição de um bloco padrão que se
pretendeu confrontar os dois sistemas.
Assim, efectuou-se a medição, com os dois sistemas
descritos, a um bloco padrão de valor nominal 150mm
e de valor real 150,0000mm.
As medições foram efectuadas na mesma máquina
(MMC Contura G2 da Zeiss, com sistema de
apalpação e com sistema óptico – ViSCAN), e em
condições ambientais iguais (temperatura 20,0ºC e
humidade relativa 44%).
Incerteza da MMC Contura G2
U = 10 + 1,9 + (L / 300) µm, (com L em mm)
com o sistema óptico - VISCAN
7. Conclusão
149,9995 mm
2,9E-08
30
± 0,03 µm
0,0005 µm
± 2,8 µm
Medição por contacto
150,0200
150,0150
valores obtidos
150,0100
150,0050
150,0000
149,9950
149,9900
149,9850
149,9800
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
nº medições
Valores obtidos
Valor do padrão
Limite inferior
Limite superior
A comparação entre sistemas de medição aqui
apresentada não pretende ser de forma alguma
depreciativa para o sistema de medição por leitura
óptica, mas tem como objectivo levar o metrologista a
equacionar qual o sistema de medição que mais se
adequa às medições que pretende efectuar.
No entanto, conclui-se que, face ao estudo
desenvolvido cujos valores são aqui apresentados,
sempre que seja possível a medição por contacto,
esta deve ser a opção que deve prevalecer.
Mesmo assim, existem vários factores que devem ser
considerados na medição em máquinas de medir por
coordenadas e que muitas vezes são esquecidos.
Assim, é fundamental que na medição de uma peça a
estratégia de medição a adoptar seja aquela que mais
se ajusta às medidas que se pretendem realizar.
Também a qualificação do metrologista é fundamental
para que toda a operação de medir seja bem
sucedida, daí muitas vezes afirmar-se que a
experiência do metrologista é o principal factor na
minimização dos erros nos processos de controlo
dimensional evitando assim que o factor humano nas
operações de medição por coordenadas seja
responsável por erros de medição (não basta saber
medir, é necessário medir bem).
Em suma, a rápida disseminação das MMC’s pelas
empresas, revelou-se pois um recurso fundamental
no esforço pelo desenvolvimento dimensional dos
produtos, pelo controlo dimensional de peças e pela
melhoria da capacidade dos processos.
Assim, foi com o contributo decisivo que as MMC’s
deram no campo da metrologia dimensional, que o
nível de qualidade dos produtos fabricados aumentou
exponencialmente e contribuiu para que o próprio
desenvolvimento tecnológico das empresas fosse
fundamental na sua afirmação pela competitividade.
REFERÊNCIAS
[1] VIM – Vocabulário Internacional de Metrologia
– IPQ, 2005.
[2] H. Schwenke, PTB – Optical Methods for
Coordinate Metrology – Metromeet, 2007.
[3] E. Manske, University of Ilmenau – Optical noncontact
and
tactile
high
precision
measurements with the nanopositioning and
nanomeasuring machine - Metromeet, 2007.
[4] LEBLOIS, Comma Consulting / France Industrial metrology : needs and expectations
of companies – 13º Congrès International de
Métrologie, Lille, 2007.
[5] Thierry Coorevits, François Hennebelle, Benjamin
Charpentier - Comportement des palpeurs
dynamiques à déclenchement: méthodes de
correction et de calibration - 13º Congrès
International de Métrologie, Lille, 2007.
[6] A. S. Alves - Metrologia Geométrica - Fundação
Calouste Gulbenkian, Lisboa, 1996.