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UNIVERSIDADE METODISTA DE PIRACICABA
Revista de Ciência & Tecnologia
MÁQUINAS DE MEDIR POR COORDENADAS
E PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
ISNN 0103-8575 • Piracicaba, SP • Volume 9 • Número 18 • P 1-132 • Dezembro/2001
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • 18
1
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UNIVERSIDADE METODISTA DE PIRACICABA
Reitor
ALMIR DE SOUZA MAIA
Vice-reitor Acadêmico
ELY ESER BARRETO CÉSAR
Vice-reitor Administrativo
GUSTAVO JACQUES DIAS ALVIM
EDITORA UNIMEP
CONSELHO DE POLÍTICA EDITORIAL
Almir de Souza Maia (presidente)
Antonio Roque Dechen
Cláudia Regina Cavaglieri
Elias Boaventura
Ely Eser Barreto César (vice-presidente)
Gislene Garcia Franco do Nascimento
Marco Polo Marchese
Nivaldo Lemos Coppini
NÚMERO 18 – VOLUME 9 – 2001
COMISSÃO EDITORIAL
Nivaldo Lemos Coppini (presidente)
Angela M.C. Jorge Corrêa
Klaus Schützer
Maria Isabel Santoro
Sônia Maria Malmonge
EDITOR EXECUTIVO
Heitor Amílcar da Silveira Neto (MTb 13.787)
SECRETÁRIA DA COMISSÃO EDITORIAL
acadêmica Flavia Paduan Bellani
A REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA é uma publicação semestral da Universidade Metodista de Piracicaba. Os textos são selecionados por processo
anônimo de avaliação por pares (peer review). Veja as normas para publicação
no final da revista. Os originais devem ser encaminhados por e-mail
([email protected]) ou pelo Correio para Comissão Editorial da RC&T, a/c
Prof. Nivaldo Coppini: UNIMEP – Campus Santa Bárbara d´Oeste – Rod. Santa
Bárbara/Iracemápolis, km 1 – 13450-000 – Santa Bárbara d´Oeste/SP.
As opiniões expressas nos artigos, tanto os encomendados como os enviados espontaneamente, são de responsabilidade dos seus autores.
Revista de Ciência & Tecnologia (Science and Technology Journal) is published twice a year by Universidade Metodista de Piracicaba (São Paulo –
Brazil). It contains papers on scientific and technological issues. Manuscripts
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are selected through a blind peer review process.
Editorial norms for submission of articles can be
requested tothe Editor.
A Revista Ciência & Tecnologia é indexada por
Revista de Ciência & Tecnologia is indexed by
Base de Dados do Centro de Informações Científicas e Tecnológicas (Comissão Nacional de Energia
Nuclear); Internacional Abstracts in Operations
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Incide de Revistas Latinoamericanas em Ciencias
(Unam); Subis (Sheffield Academic Press).
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EQUIPE TÉCNICA
SECRETÁRIA
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ASSITENTE ADMINISTRATIVO
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EDIÇÃO DE TEXTO
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CAPA
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Impressa por Sitta Gráfica
GRÁFICA UNIMEP
COORDENAÇÃO
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EDITORAÇÃO ELETRÔNICA
Carla Cynthia Smanioto
REVISÃO GRÁFICA
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Impresso em Duplicadora Digital Xerox Doutech 135
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REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA
V. 1 • N. 1 • 1991
Piracicaba, Editora UNIMEP
Semestral / Twice a year
1- Tecnologia – periódicos
CDU – 62 (05)
ISNN 0103-8575
Dezembro • 2001
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RC&T 18
Editorial
O PRAZER DE DIVULGAR O CONHECIMENTO
Estarmos interessados e envolvidos com a divulgação do conhecimento através de nossa REVISTA DE
CIÊNCIA & TECNOLOGIA tem sido uma tarefa bastante árdua, porém altamente prazerosa. No início, o periódico apenas divulgava artigos e material da própria UNIMEP. Já há alguns anos fomos instados a publicar também artigos de pesquisadores externos à nossa Universidade. Naquela ocasião, criamos a possibilidade de
publicar artigos em inglês e espanhol, com o objetivo de ampliar o campo de abrangência da revista e estarmos
consonantes com as alterações ocorridas no mundo, ditas globalização. Este número de nossa revista é um
exemplo típico da mencionada evolução.
Para tanto, muitos colegas pesquisadores têm colaborado conosco como autores e/ou revisores. Temos
procurado, também, contar com o maior número possível de revisores externos à UNIMEP, com a finalidade
de sermos o mais possível exógenos.
No momento, estamos criando o Comitê Científico da Revista, que deverá ser composto exclusivamente por professores e pesquisadores externos à nossa Universidade. Esta nova instância, junto com nossa
Comissão Editorial, composta apenas de pesquisadores da Casa, estará enriquecendo ainda mais a qualidade
de nossa revista.
Para concluir, ressalte-se que tem sido uma enorme satisfação para os membros do Comissão Editorial
da RC&T estar envolvidos com a produção deste periódico.
NIVALDO LEMOS COPPINI
Presidente da Comissão Editoria da RC&T
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Sumário
9
PROJETO DE SISTEMA PARA GERENCIAMENTO DE ACESSO À WEB
Project for a Web Management Access System
ANGELA M.C.J. CORRÊA, MARIA I. DE L. MONTEBELO, ELISABETE M. D’ÁVILA BARINI,
JOSÉ CARLOS CHRISTOFOLETTI, SILVIO LUIZ PLOTEGHER & WLADIMIR DA COSTA
21
IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA KANBAN EM UMA EMPRESA
FABRICANTE DE ARMAÇÕES DE ÓCULOS
Kanban System Implementation in an Optical Eyeglass Frame Manufacturing Company
MOACIR PEREIRA & SILVIO ROBERTO IGNÁCIO PIRES
31
UMA MACROVISÃO SOBRE A MODELAGEM CINEMÁTICA
DE MÁQUINAS DE MEDIR POR COORDENADAS (MMCs)
An overview on the Kinematic Modeling of Coordinate Measuring Machines (CMMs)
ALVARO J. ABACKERLI & ROXANA M. MARTINEZ ORREGO
45
CALIBRAÇÃO DE MM3CS UTILIZANDO UMA BARRA DE FUROS
Calibration of the CMM Using Hole Bar
BENEDITO DI GIACOMO & RENATA BELLUZZO ZIRONDI
55
MODELO ESTATÍSTICO PARA O ERRO VOLUMÉTRICO
NA MEDIÇÃO POR COORDENADAS
Statistical Model for Volumetric Error on Coordinate Measurement
BENEDITO DI GIACOMO, ROSENDA VALDÉS ARENCIBIA & VAGNER AUGUSTO DE SOUZA
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A REVIEW OF GRINDING FLUIDS – PERFORMANCES AND MANAGEMENT
Uma Revisão de Fluidos de Corte – Desempenho e Manutenção
ERALDO JANNONE DA SILVA, Eduardo Carlos Bianchi & Paulo Roberto de Aguiar
79
ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA PRESSÃO E VAZÃO
DO FLUIDO DE CORTE NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO
Evaluation of the Cutting Fluid Pressure and Flow Rate Influence in the Surface Grinding
EDUARDO CARLOS BIANCHI, RODRIGO DAUN MONICI, ERALDO JANNONE DA SILVA,
PAULO ROBERTO DE AGUIAR & IVAN DE DOMENICO VALARELLI
87
FORMALIZAÇÃO DO PROCESSO DE PROJETO MECÂNICO VISANDO AO USO
EM SISTEMAS INTELIGENTES DE PROJETO AUXILIADO POR COMPUTADOR
(ICAD)
Formalization of the Mechanical Design Process Aiming to the
Use of Intelligent Computer Aided Design Systems (ICAD)
FRANCISCO JOSÉ DE ALMEIDA
97
RESINAS BISMALEIMIDAS: OBTENÇÃO E
POTENCIAL DE APLICAÇÃO NO SETOR AEROESPACIAL
Bismaleimide Resins: on Production and Applicattion at Aerospace Field
MICHELLE LEALI COSTA, MIRABEL CERQUEIRA REZENDE & SÉRGIO FRASCINO MÜLLER DE ALMEIDA
109
ANÁLISE DE SÉRIES TEMPORAIS DE VAZÃO E
DE PRECIPITAÇÃO NA BACIA DO RIO PIRACICABA
Time Series Analysis of Flow and Precipitation of the Piracicaba River Basin
JULIANO DANIEL GROPPO, LUIZ CARLOS EDUARDO MILDE, MANUEL ENRIQUE GUAMERO,
JORGE MARCOS DE MORAES & LUIZ ANTONIO MARTINELLI
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119
ALIMENTOS TRANSGÊNICOS – SIM OU NÃO?
Transgenic Food – yes or not?
CARLOS OTAVIO MARIANO
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Projeto de Sistema para
Gerenciamento de
Acesso à Web
Project for a Web Management Access System
ANGELA M.C.J. CORRÊA
Universidade Metodista de Piracicaba
[email protected]
MARIA I. DE L. MONTEBELO
Universidade Metodista de Piracicaba
[email protected]
ELISABETE M. D’ÁVILA BARINI
Universidade Metodista de Piracicaba
[email protected]
JOSÉ CARLOS CHRISTOFOLETTI
Universidade Metodista de Piracicaba
[email protected]
SILVIO LUIZ PLOTEGHER
Indústrias Romi S/A
[email protected]
WLADIMIR DA COSTA
Universidade Metodista de Piracicaba
[email protected]
RESUMO – Com o crescente uso dos serviços da internet, principalmente a internet acadêmica da Universidade Metodista
de Piracicaba (IA), o administrador do sistema necessitará cada vez mais de meios que lhe permitam proceder a análises
comportamentais das máquinas computacionais alocadas para fornecer tais serviços. O resultado dessas análises deve servir de auxílio nos processos de tomada de decisão. O projeto em questão vem preencher uma lacuna existente, já que as
ferramentas hoje disponíveis nessa área são de uso mais genérico, não focando seus resultados estatísticos dentro da realidade da IA. Trata-se de estudo aplicado ao Núcleo de Computação da UNIMEP com o objetivo de identificar o comportamento dos usuários e dos tipos e perfis dos serviços oferecidos pela IA. Para tanto, estudou-se o comportamento dos
arquivos Log gerados pelo sistema operacional (SO) e, a partir do estudo, chegou-se a vários resultados estatísticos. A produção de dados fundamenta-se em amostragem estratificada e a análise, em metodologias estatísticas descritivas.
Palavras-chave: ACESSO À WEB – INTERNET – ARQUIVO LOG – ESTATÍSTICA DESCRITIVA – AMOSTRAGEM ESTRATIFICADA –
PROJETO DE SISTEMA.
ABSTRACT – Due to the deployment of all services being offered by the internet, mainly the academic internet of the Universidade Metodista de Piracicaba (IA), the system administrator will require software tools providing him means to proceed in all behavioral analyses of all computer machines allocated to supply such services. The result of these analyses can
be used as an aid in the decision-making-processes. This project intends to fulfill the existent gap, as the available software
tools off-the-shelf are designed for a more generic application and they rarely focus their results as expected by internet academic. This is related to the study conducted mainly to the UNIMEP’s Computer Department in order to identify the characteristics of all users of the system as well as the services offered by the internet academic. The project studied the behavior
off Log files generated by the operating system resulting, in several statistical results. Data aquision is based on stratification
sampling, and data analysis on descriptive statistic.
Keywords: WEB ACESS – INTERNET – LOG FILE – DESCRIPTIVE STATISTIC – STRATIFICATION SAMPLING – SYSTEM PROJECT.
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INTRODUÇÃO
A
área administrativa, dentro da arquitetura
atual do sistema da IA, em sua configuração,
precisa ser constantemente monitorada em
termos de acessos. Essa monitoração visa um acompanhamento da carga de máquina, ou seja, da disponibilidade de acessos aos usuários. Entretanto,
pela inexistência de ferramentas específicas de análise dentro da realidade da IA e pela não aplicabilidade das ferramentas de uso genérico, por questões
técnicas e de custos, relata-se o desenvolvimento de
um Projeto de Sistema de Gerenciamento de Acessos à Web, para os tratamentos específicos dos
dados produzidos pelo SO.
A arquitetura atual do ambiente computacional dos laboratórios do Núcleo de Computação da
Unimep é constituída, basicamente, de duas estruturas físicas. A primeira estrutura concentra as
máquinas dos Laboratórios de Rede (Rede 1 até
Rede 5), Estação RISC, Laboratório de Estágio
Supervisionado e Laboratório de Orientação (Rede
6 até Rede 9). A segunda estrutura está vinculada à
sala dos servidores. Nela encontram-se dispostas as
máquinas responsáveis pelos serviços de Rede Local
e Serviços da Web. Apesar de toda a malha de rede
constituir-se basicamente de duas arquiteturas, o
Projeto de Sistema de Gerenciamento de Acessos à
Web está afeto somente ao servidor fcti.unimep.br,
já que este é o servidor responsável pelos serviços da
IA (Serviços da Web e FTP).
O Projeto de Sistema para Gerenciamento de
Acessos à Web aqui relatado visa dotar o Laboratório
de Informática do Núcleo de Computação da Faculdade de Ciência e Tecnologia da Informação (FCTI)
da UNIMEP de uma ferramenta de análise comportamental de uso da IA e auxiliar o administrador do
sistema na análise dos serviços prestados. Fornece,
também, meios para previsão de alocação de recursos operacionais e de estrutura computacional em
função das cargas das máquinas (computadores), ou
seja, propõe-se a subsidiar o gerenciamento, o planejamento e as informações para auxiliar o processo de
tomada de decisões.
Justificativa adicional para o desenvolvimento
do projeto é que, atualmente, não há nenhum controle estatístico dos serviços da Web oferecidos pela
IA, nem tampouco pode-se fazer previsão do que se
10
convenciona chamar de carga de máquina, dificultando sobremaneira todo o processo de decisão
relacionado a esses serviços. Da mesma forma, pela
inexistência de controle estatístico, tem sido muito
difícil identificar os pontos críticos dos serviços oferecidos pela Web, o que impede a oferta de melhores serviços aos usuários. Também não há no
mercado ferramentas específicas que produzam
resultados de análise desses serviços, e as ferramentas de uso genérico não se aplicam, posto que o tratamento dos dados produzidos pelo SO é muito
particular da IA.
METODOLOGIA
O presente projeto está baseado na análise dos
arquivos Log (relatórios) gerados pelo SO da IA.
Esses arquivos Log estão no formato padrão ASCII
e dessa forma são interpretados, resultando em
informações fundamentais para a produção e análise de dados.
Os serviços da Web ou FTP podem ser
configurados para registrar os acessos e
atividades do servidor. O Log (Relatório
Padrão Microsoft IIS) pode auxiliar no processo de regulação dos acessos, determinar tipos de acessos, desenvolver planos
de segurança, e ainda pode ser um potencial meio de identificar problemas nos sites.
[...] Os Logs gerados pelo SO podem ser
lidos através de um editor de texto (formato padrão ASCII), podendo assim ser
interpretados por uma ferramenta de SW.
[...] O tipo de Log no formato Microsoft IIS
possui um formato ASCII não customizável,
incluindo itens básicos como User’s IP
Address, User Name, Request Date and
Time. [...] Inclui ainda informações detalhadas
sobre bytes recebidos/enviados. (Manual
Microsoft – About Logging Site Activity,
Help do Sistema Operacional, Microsoft
Corporation, 2000)
A partir dos dados registrados em um arquivo
Log – no caso, dentro do padrão determinado pela
Microsoft (Relatório Padrão Microsoft ISS-SO Windows NT) –, o Projeto de Sistema para Gerenciamento de Acessos à Web faz uso de metodologias da
estatística descritiva, produzindo os resultados estatísticos que são usados na análise do administrador
do sistema.
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A estatística descritiva pode ser definida
como os métodos que envolvem a coleta,
a apresentação e a caracterização de um
conjunto de dados de modo a descrever,
apropriadamente, as várias características
de um conjunto. [...] Quando a população
se torna grande, é geralmente dispendioso
demais, consome muito tempo e é muito
enfadonho obter informações sobre a
população inteira. Decisões pertinentes às
características da população devem ser
baseadas na informação contida numa
amostra da população. A teoria da probabilidade oferece a ligação, averiguando a probabilidade de que os resultados da amostra
reflitam os resultados da população.
(Levine et al., 2000: 5)
A coleta de dados, no caso constituída pela
interpretação dos eventos registrados pelo arquivo
Log, é parte importante considerada no projeto
deste sistema, pois:
A fase de coleta de dados é uma parte
importante nesse processo, pois se a amostra não contiver informações adequadas,
todo o tratamento estatístico realizado posteriormente não trará informações conclusivas sobre a população sob investigação ou
estudo. Além disso, podem-se tomar decisões erradas quando a amostra não é adequada. (Akanime & Yamamoto, 1998: 8)
O Log gerado pelo SO registra todos os eventos executados pela IA. Entretanto, considerando
que a quantidade de informações registradas pelo
arquivo Log é demasiadamente grande, o projeto
faz uso da amostragem estratificada para a produção de dados, conforme Freund & Simon:
Se dispusermos de dados sobre a composição de uma população, e isto tem importância para a nossa pesquisa, podemos
eventualmente melhorar uma amostragem
aleatória mediante estratificação. Trata-se
de um processo que consiste em estratificar (ou dividir) a população em certo
número de subpopulações que não se
superpõem, chamadas estratos, ou camadas, e extrair uma amostra de cada estrato.
Se os elementos selecionados em cada
estrato constituem amostras aleatórias simples, o processo global – estratificação
seguida de amostragem aleatória – é chamado amostragem aleatória estratificada
(simples). (Freund & Simon, 1997: 185)
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O Projeto de Sistema para Gerenciamento de
Acesso à Web foi desenvolvido dentro da metodologia da prototipagem não operacional, conforme
Pressman (1987) e Stair (1998). A partir dessa
metodologia, criou-se um modelo de sistema em
que a visualização dos resultados estatísticos interage de forma mais rápida com o usuário. Registrase que:
A prototipagem pode produzir protótipos
operacionais, parcialmente operacionais ou
não-operacionais. [...] Um protótipo nãooperacional normalmente inclui especificações e formatos de saídas e entradas. As
saídas consistem em relatórios impressos
e/ou em telas de computadores. [...] A principal vantagem de um protótipo não-operacional é que ele pode ser desenvolvido
com mais rapidez, [...] permitindo ao usuário do sistema visualizar seus resultados
mais rapidamente. (Stair, 1998: 301)
A produção dos resultados estatísticos e a construção de tabelas e gráficos foram projetadas de forma
a apresentar as informações do modo mais amigável
ao usuário, objetivando guiá-lo para conclusões mais
rápidas. Apesar de o Projeto de Sistema de Gerenciamento de Acessos à Web ser uma ferramenta de uso
específico, a construção dos gráficos e das tabelas de
freqüência foi baseada nas apresentações sugeridas
por Levine et al. (2000) e Corrêa (2000).
Ratifica-se que o Projeto de Sistema para
Gerenciamento de Acessos à Web foi desenvolvido
com a aplicação de métodos estatísticos e o uso da
metodologia da prototipagem não-operacional. As
telas foram geradas pelo software Microsoft Visual
Basic For 32-bit Windows Development. Com as
metodologias estatísticas Amostragem Estratificada
e Estatística Descritiva integradas à prototipação,
analisaram-se os dados contidos nos arquivos Log
(relatórios) gerados pelo SO, disponibilizando-se as
informações produzidas na forma de relatórios
diversos (tabelas de freqüência e gráficos). O projeto
proposto não trabalha com sistema de computação
no sistema de computação em tempo real – ou seja,
a análise das informações (rodando em batch) provenientes dos arquivos Log é computada em uma
base de tempo já transcorrido, não havendo processamento das informações no momento exato em
que um determinado acesso e/ou serviço for solicitado à IA. No entanto, o projeto está estruturado de
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forma a permitir, no futuro, análise comportamental em tempo real.
About Logging Site Activity, Help do Sistema Operacional, Microsoft Corporation, 2000).
CARACTERIZAÇÃO
DOS ARQUIVOS LOG
Quadro 1. Critérios para geração dos arquivos Log.
Nº
CRITÉRIO
ARQUIVO LOG GERADO
O arquivo Log gerado pelo SO é um arquivo
do tipo denominado diário. Isso significa que são
registrados todos os eventos a partir da 00:00:00
hora de um dia até as 23:59:59 horas do mesmo
dia, ficando o arquivo Log armazenado em um diretório previamente definido quando da configuração
do SO. Por evento entende-se todos os acessos e serviços realizados e/ou solicitados pelos usuários ao
provedor da IA. Dessa forma, o SO armazena todos
os arquivos Log gerados ao longo do mês e ano, que
são mantidos no mesmo diretório. No ano seguinte,
esse mesmo sistema operacional cria, automaticamente, um novo diretório, no qual armazena todos
os arquivos Log do referido ano, e assim o processo
continua, sucessivamente.
É interessante observar que, como todos os
arquivos Log são mantidos pelo SO, o administrador
pode, a qualquer momento, fazer uma análise comportamental, tomando como amostra o arquivo Log
desejado. Dentro da estrutura dos arquivos Log,
pode-se, então, consultar qualquer Log que se queira.
É preciso lembrar, contudo, que a escolha deve ser
sempre em uma base de tempo já transcorrido.
Para efeito deste estudo, todos os arquivos Log
gerados pelo SO estão contidos no diretório
C:\WINNT\SYSTEM32\LOGFILES\W3SVC1
(estrutura do servidor fcti.unimep.br). Os arquivos
Log gerados são identificados pelo SO com facilidade.
Por exemplo, consideremos que o arquivo desejado é
o arquivo Log IN000402.LOG. Sua localização e
identificação será C:\WINNT\SYSTEM32\LOGFILES\W3SVC1\IN000402.LOG, sendo que IN são as
iniciais do arquivo Log; 00 indica o ano (no caso, o
ano 2000); 04 indica o mês (no caso, abril) e 02
indica o dia (no caso, dia 2). Assim, o arquivo
IN000402.LOG contém todas as informações registradas pelo SO para o dia 2 de abril de 2000, das
00h até as 23:59:59 do mesmo dia. No dia
seguinte, o SO cria outro arquivo Log, identificado
como IN000403.LOG.
O formato do arquivo Log no padrão Microsoft IIS Log Format pode ser configurado em um
dos cinco diferentes critérios para geração de relatórios registrados no quadro 1 (Manual Microsoft –
1
2
3
4
5
12
Por tamanho de arquivo
Registro por hora
Registro diário
Registro semanal
Registro mensal
Inetsvnn.Log
Inyymmddhh.Log
Inyymmdd.Log
Inyymmww.Log
Inyymm.Log
O presente projeto trabalha com o critério
número 3 (registro diário) pois essa é a configuração
atual do provedor da IA. Registra-se que “o processo de Log para o acesso à Web é realizado por
módulos, dentro do SO, operando independentemente de outras atividades do servidor. Consiste no
registro de todas as informações pertinentes aos
acessos realizados na Web, chamado de Logging”
(Manual Microsoft – About Logging Site Activity,
Microsoft Corporation, 2000).
Normalmente, como processo de configuração do sistema de Log, o administrador pode determinar diferentes formatos a serem gerados pelo
processo de Logging – o que é permitido durante a
configuração do SO, habilitando ou desabilitando
determinados diretórios para os sites. No caso do
provedor da Web objeto deste estudo, todos os sites
estão habilitados, o que significa que todos os acessos são possíveis e todos os seus eventos são registrados pelo arquivo Log.
O quadro 2 ilustra o resultado de um arquivo
Log no formato Microsoft IIS Log Format, com
todos os seus campos registrados em um determinado dia (período).
Para efeito da análise da natureza dos serviços
executados pela IA, o projeto selecionou os três
principais. Esses serviços são tratados de Natureza
dos Serviços. Os serviços não classificados dentro
dos selecionados são interpretados pelo projeto
como Outros, de menor importância para a análise
estatística. Os serviços oferecidos estão registrados
no campo do arquivo Log denominado Request
Type. Os serviços selecionados são descritos no quadro 3.
Dezembro • 2001
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Quadro 2. Arquivo Log gerado no modelo Microsoft IIS
Log Format.
CAMPOS
LOG1
LOG2
User´s IP Address
User Name
Date
Time
Service
and Instance
Computer Name
IP Address of Server
Time Taken
Bytes Received
Bytes Sent
Service Status Code
Windows 2000 Status
Code
Request Type
Target of Operation
200.246.52.195
02/04/2000
07:55:20
200.246.52.195
02/04/2000
23:53:11
W3SVC1
W3SVC1
NT02_FCTI
172.21.13.45
4297
332
202
200
NT02_FCTI
172.21.13.45
4391
330
139
200
0
0
GET
/pessoais/
index.htm
GET
/reta_v.gif
Quadro 3. Natureza dos principais serviços executados
pelo provedor.
NATUREZA
DESCRIÇÃO
DOS SERVIÇOS
GET
LOAD
HEAD
OUTROS
Realiza uma operação de busca de
informação na Web. Toda operação de
busca, feita por um determinado usuário. Significa uma requisição ou solicitação de informação.
Realiza uma operação de carga à Web.
Disponibiliza informação no site. Pode
ser realizada pelos usuários que possuem acesso a todas as informações
disponíveis.
Realiza uma operação de atualização ou
de disponibilização de novas informações ao provedor pelo usuário com status de proprietário daquela determinada
informação.
Qualquer outra atividade executada pelo
Servidor fora das três classificações
anteriores.
A descrição do significado de cada campo de
registro contido em um arquivo Log está registrada
no quadro 4.
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 9-12
Quadro 4. Descrição do significado de cada campo do
arquivo Log.
CAMPOS
DESCRIÇÃO
Indica o usuário do serviço. Aquele que solicitou o serviço
User Name
Normalmente estará em branco
Data de acesso ao serviço.
Date
Formato dd/mm/aa
Hora de acesso ao serviço.
Time
Formato hh:mm:ss
Service and Ins- Identifica o endereço lógico da máquina
tance
(Servidor)
Identifica o nome lógico da máquina
Computer Name
(Servidor)
IP Address of
Identifica o endereço IP da máquina
Server
(Servidor)
Tempo gasto para estabelecer link de acesso
Time Taken
(dado em ms)
Bytes recebidos pelo Servidor no momento
Bytes Received
da conexão
Bytes Sent
Bytes enviados pelo Servidor ao usuário
Service Status
Código do serviço realizado
Code
Windows Status
Código do SO
Code
Request Type
Natureza do serviço executado
Target of
Endereço IP visitado pelo usuário
Operation
User´s IP Address
TRATAMENTO
DAS INFORMAÇÕES
No processo de produção de dados a partir
do arquivo Log desejado, o projeto prevê que as
informações não necessárias à análise estatística
sejam filtradas. Isso significa que, como parte inicial
do processo de produção de dados, alguns campos
do arquivo Log serão eliminados, por não possuírem significado para o objetivo proposto. O quadro
5 apresenta todos os campos do arquivo Log, sendo
que campo identifica os registros do arquivo Log;
tipo identifica a natureza da informação – quantitativa ou qualitativa – e status identifica se a variável
será usada (significando que é válida para a análise
estatística proposta pelo projeto) ou filtrada (significando que não tem importância para a análise estatística) no processo inicial de análise.
13
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Quadro 5. Definição dos campos usados no processo de
análise, filtragem e tipo das variáveis.
CAMPO
TIPO
STATUS
User´s IP Address
User Name
Date
Time
Service and Instance
Computer Name
IP Address of Server
Time Taken
Bytes Received
Bytes Sent
Service Status Code
Windows Status Code
Request Type
Target of Operation
Qualitativa
Quantitativa
Quantitativa
Quantitativa
Quantitativa
Quantitativa
Qualitativa
Qualitativa
Usada
Filtrada
Usada
Usada
Filtrada
Filtrada
Filtrada
Usada
Usada
Usada
Filtrada
Filtrada
Usada
Usada
Como parte do processo de filtragem das
informações desnecessárias à produção de dados
primários, o projeto prevê a criação de um arquivo
temporário de dados denominado Log.Tmp, no
qual são armazenados, para as fases posteriores,
todos os registros a ser utilizados na análise. A figura
1 ilustra o fluxograma inicial do processo de produção de dados primários. Nesse fluxograma, existem
blocos principais, conforme mostra o quadro 6.
Fig. 1. Fluxograma inicial do processo de produção de
dados primários.
Início
Seleção do arquivo
Log
Filtragem das
informações
Geração de arquivo
temporário (Log. Tmp)
Aplicações das
rotinas de análise
Visualização dos
resultados
Fim
14
Quadro 6. Apresentação descritiva do fluxo básico de leitura, filtragem, geração do arquivo temporário,
rotinas de análise e visualização dos resultados.
TAREFAS
DESCRIÇÃO
Usuário seleciona o arquivo Log desejado.
Isto significa que o primeiro arquivo Log de
uma semana já transcorrida deve ser
escolhida pelo usuário.
Filtragem
Processo de eliminação dos campos
das Informações
desnecessários. Veja Quadro 5.
Gera arquivo temporário para uso posterior. Este é o arquivo, já filtrado, que conGeração de Arquivo
tém todas as informações dos Log
Temporário
acumulados durante a semana escolhida.
Log.Tmp
Veja Metodologia de Produção e Análise de
Dados.
Executa, a partir da seleção pelo usuário,
as análises estatísticas. Estas são as funAplicações das
ções estatísticas produzidas pelo projeto.
rotinas de Análise Veja Quadro 9 – Sumário das funções disponíveis pelo Gerenciamento Estatístico de
Acessos a Web.
Visualização dos resultados estatísticos
Visualização
produzidos através de tabelas de freqüêndos Resultados
cia e gráficos.
Seleção
do Arquivo Log
Os registros que devem permanecer após o
processo denominado de filtragem, como demonstrado no quadro 5, são aqueles que o projeto manipula para a produção dos resultados estatísticos.
DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA
Os dados a ser analisados são todas as informações restantes do processo de filtragem do
arquivo denominado Log.Tmp de um certo
número de subpopulações que não se superpõem,
posto que são informações incrementais, mudando
ao longo do tempo, obtidas por amostragem estratificada proporcional com seleção sistemática
(Freund & Simon, 1997). Observa-se que a população alvo, constituída pelo conjunto de informações
do arquivo Log.Tmp, é quantificada em megabytes.
Considerando o volume de dados contidos
no Log, que todos os acessos são registrados e que a
resolução do sistema, para registro da hora do
acesso, é de um segundo, chegou-se empiricamente
ao valor de 20% para a estratificação proporcional.
Isso significa que, para cada cinco acessos registrados no Log, será extraído o primeiro acesso para a
amostra objeto de análise.
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O Projeto de Sistema para Gerenciamento de
Acesso à Web prevê sempre a análise estatística em
lote do período de uma semana, iniciando-se sempre em uma segunda-feira. Dessa forma, a amostra
deve ser sempre obtida de modo a que a seleção de
um arquivo Log coincida com o início de uma dada
semana. Como o sistema projetado não estará operando em tempo real, a seleção da amostra deve,
obrigatoriamente, levar em conta o período de uma
semana já transcorrido. A seleção dos arquivos Log
se dá na forma de seleção semanal, isto é, por numeração da semana. Considerando-se, como ilustração, outubro de 2000 e que a semana 41 se inicia no
domingo, o gerenciamento fará a análise dos arquivos Log a partir da segunda-feira, dia 9 de outubro.
A partir dessa data, o gerenciamento de acessos será
processado do dia 9 até o dia 15 de outubro, como
pode ser observado na tabela 1. Isso significa que
todo o processamento computacional (seleção, filtragem e produção dos resultados) será tomado dos
arquivos Log IN001009.LOG, IN001010.LOG,
IN001011.LOG, IN001012.LOG, IN001013.LOG,
IN001014.LOG e o IN001015.LOG, gerando o
arquivo Log.Tmp.
Tab. 1. Calendário do mês de outubro de 2000, com a disposição do número das semanas.
OUTUBRO/2000
1
8
15
22
29
2
9
16
23
30
3
10
17
24
31
4
11
18
25
1
5
12
19
26
2
SEMANA
6
13
20
27
3
7
14
21
28
4
40
41
42
43
44
Considerando que a seleção de informações
para análise a partir do arquivo Log será feita de
forma estratificada, ela se dará pela divisão em quatro estratos temporais. A divisão em estratos, como
mostrado no quadro 7, objetiva identificar melhor o
comportamento dos acessos à IA dentro e fora do
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 9-12
período regular de aula. Cada estrato conterá parte
da população geral de informações de interesse a
cada seis horas.
Quadro 7. Demonstrativo dos estratos produzidos em função dos horários pela estratificação definida.
1º ESTRATO 2º ESTRATO 3º ESTRATO 4º ESTRATO
00:00:01 06:00:00 -
06:00:01 12:00:00 -
12:00:01 18:00:00 -
18:00:01 24:00:00 -
Observa-se que o Projeto do Sistema de
Gerenciamento de Acessos à Web produz diversos
resultados estatísticos, que estão resumidos no quadro 8.
Esses resultados podem ser visualizados em
tabelas de freqüência e gráficos para cada uma
das funções definidas no quadro 8, e todas elas
podem ser acessadas por meio de diversas telas
criadas pelo projeto. Como ilustração dos resultados produzidos, apresenta-se as várias figuras a
seguir. A figura 2 ilustra uma das páginas de
acesso. No caso, tem-se a página que dá acesso à
função 7 (quantidade de bytes recebidos para o
estrato 1).
A figura 3 apresenta o resultado da geração da
informação referente à função 7 (quantidade de
bytes recebidos para o estrato 1). Esses resultados
são apresentados pelo projeto de três formas: 1. um
gráfico de setores para a distribuição percentual do
estrato (quantidade de bytes recebidos); 2. um gráfico de barras apresentando a quantidade de bytes
gastos por natureza de serviço, com distribuição
durante a semana; e 3. uma tabela de freqüência
com o total dos bytes recebidos no mesmo período.
Outro resultado gerado pelo projeto pode
ser visualizado nas figuras 4 e 5. A figura 4 ilustra
a página de acesso da função 2 (origem dos acessos). Através dessa tela, o projeto permite que se
visualize a origem dos acessos. No caso, apresenta-se a origem dos acessos para o NCU.
15
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Quadro 8. Sumário das funções disponíveis pelo Gerenciamento Estatístico de Acessos à Web.
Nº DA FUNÇÃO
FUNÇÃO
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Total de acessos por estrato. Registra a quantidade de acessos ocorridos em cada estrato nos dias da semana. Apresenta ainda a totalização dos acessos por dia e na semana, apresentando ainda a sua distribuição percentual.
Origem dos acessos – Identifica a origem dos acessos a IA, sendo esses, basicamente, de 5 (cinco) tipos diferentes.
O Núcleo de Computação da UNIMEP (NCU); os externos; os de outros departamentos da UNIMEP; os de origem confidencial e os classificados como Outros.
Quantidade de serviços executados, natureza dos serviços e tabela de freqüência. Neste caso o projeto prevê a classificação dos tipos de serviços em 4 (quatro), quais sejam, a função GET; a função LOAD; a função HEAD e as funções classificadas como OUTROS.
Horário de pico dos acessos (dentro de um estrato). É definido pela maior quantidade de acessos ocorrido em um
estrato no intervalo de uma (1) hora. Ainda para esta função, o projeto registra, para aquele dado horário de pico,
quais foram os serviços executados (GET;LOAD;HEAD ou OUTROS).
Determinação do valor mais freqüente da natureza dos serviços (GET;LOAD;HEAD ou OUTROS)
Área mais visitada. Registra as últimas dez (10) áreas mais visitadas. Nesse caso, o administrador do sistema pode
selecionar previamente quais as áreas que pretende monitorar.
Quantidade de bytes recebidos/bytes enviados pelo servidor por natureza de serviço. Registra a totalização dos bytes
recebidos/enviados pelo servidor/para usuário ao estabelecer o link de comunicação.
Tempo gasto por acesso à CPU em função da natureza do serviço. Os tempos registrados no arquivo Log estão em
milisegundos.
Gráfico de tendência mensal. Registro dos tempos acumulados de acesso à CPU por natureza de serviço, fornecendo
também a totalização dos tempos.
Fig. 2. Tela de acesso à função 7 – quantidade de bytes recebidos para o estrato 1.
16
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Fig. 3. Tela da função 7 – quantidade de bytes recebidos/enviados pelo servidor por natureza de serviço. Apresentação dos
resultados por meio de gráfico de setores, gráfico de barras e tabela de freqüência.
Fig. 4. Tela de acesso à função 2 – origem dos acessos (NCU).
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Fig. 5. Tela de resultados produzidos pela função 2 (origem dos acessos – NCU). Apresentação dos resultados por meio
de gráfico de barras e tabelas de freqüência.
Já a figura 5 apresenta o resultado da geração
da informação origem de acesso de quatro maneiras: 1. um gráfico de barras, com a distribuição percentual de todas as origens dos acessos (nesse caso, o
administrador do sistema pode visualizar, para a origem selecionada, qual sua distribuição percentual
comparada às demais origens); 2. um gráfico de barras apresentando a quantidade de acessos diários
ocorridos; 3. uma tabela de freqüência com a totalização dos acessos; e 4. uma segunda tabela de freqüência, para a totalização de todas as origens dos
acessos na semana.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O projeto disponibilizou ao Núcleo de Computação da Universidade Metodista de Piracicaba
uma importante ferramenta de análise comportamental de sua IA. Por ter sido desenvolvido de
forma a produzir resultados estatísticos relevantes e
de acesso amigável, constitui importante ferramenta
de auxílio ao processo de tomada de decisão, permitindo ao administrador do setor monitorar constan18
temente o perfil de utilização de todos os recursos
disponíveis na IA.
Resultados como horários de pico por
estrato permitem ao administrador identificar
diretamente os períodos em que há maior
concentração de uso, podendo agir prontamente
para a disponibilização de recursos ou, ainda,
identificar possíveis congestionamentos na rede.
Conhecer a natureza dos serviços mais solicitados
permite identificar a necessidade de expandir a
capacidade do sistema, em termos de meios físicos de armazenamento. Esses são apenas alguns
exemplos da importância da ferramenta projetada, função intrínseca deste Projeto de Sistema
para Gerenciamento de Acesso à Web.
É possível registrar, ainda, que, dada a importância do Projeto de Sistema para Gerenciamento
de Acesso à Web para o ambiente de gerenciamento
da IA, ele poderá ter continuidade posterior, viabilizando o desenvolvimento de um sistema em tempo
real, ou mesmo ser expandido para outros serviços
ou acessos à Web.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AKANIME, C.T. & YAMAMOTO, R.K. Estatística Descritiva. São Paulo: Érica, 1998.
CORRÊA, A.M.C.J. Conceitos Básicos de Estatística Descritiva para Análise Exploratória de Dados (Notas de Aulas). Piracicaba:
FCTI-UNIMEP, 2000 [digitado].
FREUND, J.E. & SIMON, G.A. Estatística Aplicada. Trad. A.A. Farias. Porto Alegre: Bookman, 1997.
LEVINE, D.M.; BERENSON, M.L. & STEPHAN, D. Estatística: teoria e aplicações. Trad. C.P. de Souza. Rio de Janeiro: LTC,
2000.
Manual Microsoft. About Logging Site Activity – conceitos básicos sobre sistemas de Log para provedores Web e SFTP. Microsoft
Corporation, 2000.
PRESSMAN, R.S. Software Engineering – a practitioner’s approach. 2.ª ed. Singapore: McGraw Hill International Editions,
1987.
Software Microsoft Visual Basic For 32-bit Windows Development. Microsoft Corporation, 1997.
STAIR, R.M. Princípios de Sistemas de Informação – uma abordagem gerencial. Trad. M.L.I. Vieira (cap. 1-8) & D.C. de Alencar
(cap. 9-16). Rio de Janeiro: LTC, 1998.
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Implantação do Sistema
KANBAN em uma
Empresa Fabricante
de Armações de Óculos
Kanban System Implementation in an
Optical Eyeglass Frame Manufacturing Company
MOACIR PEREIRA
Universidade Metodista de Piracicaba.
[email protected]
SILVIO ROBERTO IGNÁCIO PIRES
Universidade Metodista de Piracicaba
[email protected]
RESUMO – O presente artigo relata a experiência da implantação do sistema Kanban em uma área piloto, dentro de uma
empresa nacional fabricante de armações de óculos. A implantação do sistema Kanban deveu-se à necessidade de melhorar o desempenho do planejamento e controle da produção e de implementar um processo de gestão mais coerente com
a realidade atual brasileira. Para implantação do sistema Kanban, criou-se um ambiente Just-in-Time na área piloto a fim
de gerar um fluxo contínuo de produção e um ambiente propício ao contínuo aprendizado dentro da fábrica. Trabalhouse com funcionários que muito pouco conheciam de JIT/Kanban. Após um ano de trabalho na empresa, chegou-se a
resultados bastante satisfatórios, tanto qualitativos quanto quantitativos.
Palavras-chave: PLANEJAMENTO E CONTROLE DA PRODUÇÃO – JUST-IN-TIME – KANBAN – ESTUDO DE CASO.
ABSTRACT – This paper describes the experience of implementing the Kanban system in a pilot area of a company that
manufactures eyeglass frames.The purpose of implementing the Kanban system emerged as a way of conducting
improvements and helps the Production Planning and Control in order to reach managerial standards more appropriated to the Brazilian reality. In order to implement the Kanban system, a Just-in-Time environment was created in the
pilot area to generate a solid continuous production flow and to stimulate a continuous learning inside the plant.
Employees with low knowledge in JIT/Kanban have participated of the training program. After one year working in the
company, it is possible to start that very good qualitative and quantitative results have been reached.
Keywords: PRODUCTION PLANNING AND CONTROL – JUST-IN-TIME – KANBAN – CASE STUDY.
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INTRODUÇÃO
N
o início da década de 90, houve a abertura da
economia brasileira e os produtos estrangeiros começaram a competir intensamente
com os nacionais.
A globalização da economia mundial tem provocado uma considerável atualização tecnológica
em muitos setores industriais brasileiros e nos processos de fabricação. Dessa forma, torna-se cada vez
mais importante ser um produtor de classe mundial,
posicionando-se de maneira competitiva diante dos
mercados globais.
Os produtos manufaturados, geralmente vindos de países onde o modelo classe mundial já está
consolidado, apresentam maior qualidade e variedade, além de serem bastante competitivos, quanto
a preços, com os similares nacionais.
Esse fato colocou ao alcance dos consumidores brasileiros uma maior variedade de produtos de
alta qualidade e a preços bastante atraentes. Nessa
nova conjuntura, as empresas brasileiras veêm-se
diante da necessidade de se adequar a essa tendência, adotando técnicas atuais de administração de
produção, alinhando-se com o novo paradigma
mundial.
O setor óptico brasileiro é constituído por
empresas que formam um grupo que detém, aproximadamente, 90% do mercado nacional. Esse
grupo é formado pela empresa principal, cuja linha
de produção fabrica, além da linha normal, modelos
sob licença das marcas Playboy, Turma da Mônica
(infantil), Pierre Cardin e Platini. Outras quatro
empresas menores, com linhas próprias de produção, fazem parte do grupo. A importação de armações de óculos não faz concorrência à empresa
estudada: normalmente, é realizada por lojas distribuidoras e atende a um público de maior poder
aquisitivo. É importante salientar que, no exterior, a
armação de óculos é também utilizada como complemento embelezador do rosto, enquanto no Brasil
tem efeito de produto de receituário (óculos de
grau). Dentro desse contexto, a indústria óptica
nacional buscou se adequar a novos modelos de
administração da produção para evitar uma concorrência internacional agressiva, uma vez que não há
fábricas estrangeiras de armações de óculos instaladas no país.
22
A produção Just-in-Time (JIT) apresenta grandes vantagens ao permitir, após sua implantação, a
redução dos estoques de materiais em processo e
produto acabado, além de propiciar ao sistema de
manufatura maior flexibilidade para atender à variedade da demanda, menor preocupação com o fator
qualidade e a possibilidade de preços condizentes,
pela redução dos custos de produção.
Embora o JIT tenha sido desenvolvido na
indústria automobilística e seu sucesso seja consagrado no mundo todo, como não há chance de
importação pura e simples das técnicas JIT/Kanban,
houve necessidade de ajustes e adequação à realidade brasileira e à indústria óptica nacional.
O propósito principal deste artigo é relatar a
implantação do sistema JIT/Kanban em uma
empresa fabricante de armações de óculos de capital
nacional e gestão familiar.
OS SISTEMAS
JUST-IN-TIME E KANBAN
O JIT é um sistema que se destina a estimular a
produtividade, eliminar estoques ociosos, melhorar a
qualidade do produto e reduzir o tempo de entrega
do produto acabado ao consumidor. Segundo Taiichi
Ohno (Monden, 1984), a idéia é “total eliminação de
desperdícios”, entendendo-se como desperdício tudo
aquilo que não agrega nenhum valor ao produto
acabado, como filas de materiais, produção além do
programado etc. A proposta básica consiste na
determinação dos momentos exatos de fabricação e
entrega de produtos, submontagem, montagem e
aquisição de materiais. Isso significa colocar todos os
materiais em uso ativo, integrando o material em processamento e não o deixando ocioso. Portanto, seu
ideal é alcançar uma alta flexibilidade, em condições de atender qualquer encomenda, a qualquer
momento, em pequenos lotes.
Yoshimoto (1992) define a cultura organizacional baseada no sistema JIT como um conjunto de
padrões de comportamento, crenças e outros valores que caracterizam a empresa. O seu desenvolvimento é lento, feito mediante as experiências e os
treinamentos comuns ocorridos com as pessoas que
trabalham na empresa. A alta rotatividade de pessoal é prejudicial, podendo colocar a perder, em
alguns casos por completo, uma cultura formada
em longos anos de trabalho.
Dezembro • 2001
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Fig. 1. Elementos do JIT (Wantuck, 1989, adaptado pelo autor).
Manutenção
Produtiva Tota
Tecnologia de Grupo
Treinamento de
Pessoal
Redução de
Set-up
Controle de
Qualidade Total
JUST-INTIME
Housekeeping
Melhoramento
Contínuo
Fábrica Focada
Arranjo Físico
De acordo com Wantuck (1989), o JIT é uma
estratégia central que tem como pontos de apoio
uma série de ferramentas distribuídas por todas as
fases do processo produtivo. Podem ser implementadas simultaneamente ou em partes, como mostra
a figura 1.
Quando se deseja implantar o sistema Kanban, deve-se seguir alguns processos de implantação. Moura (1989) define os seguintes passos:
1) preparar os funcionários para os conceitos
e ferramentas do Just-in-Time;
2) escolher uma área-piloto para permitir o
aprendizado da técnica;
3) determinar a demanda dos componentes
ao longo de todo o processo produtivo;
4) definir as quantidades por contentor;
5) definir o tipo de sistema Kanban (duplo
cartão, cartão único ou Kanban-contentor)
e os procedimentos;
6) criar painéis porta-Kanbans.
Por sua vez, o Kanban é um sistema de informações, controle e coordenação da produção e do
suprimento de materiais no piso de fábrica. É baseado na manufatura puxada, no controle de estoques
FIFO (First In, First Out) e na manutenção de mínimos níveis de estoques. O Kanban é o mecanismo
que viabiliza a manufatura no chão de fábrica.
Conforme Pires (1995), duas das maiores virtudes do sistema JIT são ele ter uma abrangência
conceitual, que extrapola os limites das atividades
de planejamento e controle da produção, e conceber um sistema de controle da produção simples e
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 21-29
Kanban
eficiente (sistema Kanban), quando devidamente
implementado. No nível de programação, as tarefas
não são programadas como nas formas convencionais. A produção é puxada, e ocorre somente
quando há uma necessidade sinalizada pelo elemento seguinte da cadeia produtiva. Ainda segundo
Pires (1995), empresas que priorizam o desempenho das entregas e a qualidade, e possuem pequena
variabilidade no volume e no total de itens produzidos, têm grande potencial para usufruir o sistema de
controle Kanban.
Schonberger (1993) comenta que a manufatura puxada representa um dos pressupostos básicos
do JIT, e fundamenta-se no princípio de que não
deve haver o processamento de um pedido até sua
real solicitação por um estágio ou operação subseqüente no fluxo de produção.
O Kanban é, essencialmente, um sistema de
fluxo de informações que controla harmoniosamente as quantidades produzidas em todas as fases
dos processos de manufatura. Deve, obrigatoriamente, pertencer a um sistema de manufatura
puxada, como o JIT.
A INDÚSTRIA DE ARMAÇÕES
DE ÓCULOS NO BRASIL E A
EMPRESA ESTUDADA
A Indústria de Armações de Óculos
A partir da década de 80, o êxodo de pessoas
do meio rural para o meio urbano aumentou significativamente no Brasil. Segundo Rego & Marques
(2000), os dados do IBGE publicados em 1997
informavam que 78,36% dos brasileiros moravam
23
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nas cidades. As pessoas passaram a viver mais tempo
e a ser, na maioria, alfabetizadas e dependentes de
sua capacidade de visão, não só para leitura, mas
para realizar outras atividades diárias.
Por sua vez, a indústria de armações de óculos
no Brasil foi, de certa forma, protegida pelo principal instrumento de contenção de importações
durante os anos 1980, medidas não tarifárias, entre
as quais se destacava a Lei do Similar Nacional, que
listava produtos cuja importação era proibida. Em
função do quadro de instabilidade reinante praticamente durante toda a década de 80, grande parte
dos setores da economia brasileira encontravam-se
em atraso tecnológico quando comparados aos
padrões internacionais.
Por outro lado, em vez de os produtores nacionais se aperfeiçoarem, aproveitando a proteção e a
vantagem permitida pelas diversas medidas governamentais desse período, o que houve foi um efeito
exatamente contrário. Boa parte deles se acomodou, não fez o investimento necessário para garantir
que seus processos de produção e produtos alcançassem padrões internacionais, acreditando que a
proteção seria perene.
Assim, o conjunto de fatores citados propiciou
à industria de armação de óculos um crescimento
rápido e consolidação no mercado interno. No período entre 1990 e 1994, a política industrial do
governo restringiu-se à abertura comercial. Nesse
mesmo período, a empresa estudada neste artigo já
detinha, aproximadamente, 90% do mercado nacional de armações de óculos e, quando da abertura
comercial ao exterior, já estava consolidada, buscando novas tecnologias para o desenvolvimento da
capacitação competitiva e o lançamento de diversos
modelos de armações, novas cores e materiais.
A Empresa Estudada
Fundada em agosto de 1972, a empresa nasceu como a maioria das pequenas empresas familiares, em que os próprios sócios se encarregavam das
operações produtivas e de comercialização. Ao
longo do tempo, passou por vários momentos de
transformação, procurando, sempre, manter-se atualizada por meio da modernização de seus processos e de melhorias no seu parque fabril, com a
aquisição de máquinas e equipamentos modernos.
A preocupação da diretoria da empresa não era
24
somente a busca de novas tecnologias, mas também
de técnicas adequadas de planejamento e de um
fluxo contínuo de produção, consistente e rápido.
Diante disso, optou pela implantação do sistema JIT/Kanban, pois chegou à conclusão que, por
ser simples e de regras fáceis a ser seguidas pelo pessoal do chão de fábrica, era a melhor opção de execução e de resposta rápida à implantação.
Justificativa e Metodologia
O sistema Kanban foi desenvolvido inicialmente na indústria automobilística, e espalhou-se
pelo mundo. Entretanto, a aplicação da técnica em
uma empresa de armações de óculos era um desafio a
ser vencido, pois não há, no Brasil, aplicação similar.
A empresa estudada conta com 650 colaboradores, está instalada numa única planta e fabrica um
produto que pode ser manuseado com facilidade,
por ser leve e pequeno.
A baixa variação de produção no volume diário – 10.500 peças/dia – e um mix de produtos relativamente pequeno (a grande diferença está na
aplicação de detalhes sobrepostos na lateral da haste
da armação) – propiciava a implantação do Kanban,
aliada à intenção da alta direção em implementar/
investir em novas práticas gerenciais.
A fim de evitar um impacto muito grande em
toda a empresa e montar uma área que pudesse servir de modelo para as outras, optou por iniciar a
implantação do Kanban em uma área-piloto.
Segundo Moura (1984), um bom candidato a setor
piloto é aquele que apresenta um número pequeno
de itens individuais, com programas de produção
razoavelmente estáveis e poucas restrições de produção (capacidade, tamanho de lotes etc.). Assim, a
empresa definiu que a área-piloto seria o setor de
tornos. Os produtos dessa área são parafusos para
armações de óculos, buchas para fixação de lentes e
apliques para hastes de armações. A figura 2 mostra
componentes de uma armação de óculos.
Deve-se ainda levar em conta que é de considerável importância a formulação de uma metodologia específica que contemple as etapas e os
aspectos necessários à eficiente implantação do Kanban e a sua posterior perenidade, a médio e longo
prazos. A metodologia adotada, a pesquisa-ação, é
uma estratégia da pesquisa na qual o objetivo consiste em resolver, ou pelo menos em esclarecer, os
problemas da situação observada.
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Fig. 2. Componentes de uma armação de óculos.
Segundo Thiollent (1994: 15), toda pesquisa-ação é do tipo participativo, ou seja, “a participação das pessoas implicadas nos problemas
investigados é absolutamente necessária”. Na pesquisa-ação, os pesquisadores desempenham um
papel ativo no equacionamento dos problemas
encontrados. O autor atuou como consultor por
dois anos e implantou o sistema Kanban na
empresa estudada.
A Implantação do Kanban na
Empresa Estudada
É interessante destacar como as pessoas
podem participar a fim de se atingir a produção JIT.
Isso é feito pelo conhecimento das ferramentas ou
pré-requisitos, fase em que os funcionários discutem
o que pode ser feito com a colaboração de cada um.
Essa etapa é, antes de tudo, um estímulo para discussões. Foi elaborado o treinamento, distribuído
em diversas fases, dos colaboradores no sistema
Kanban, conforme mostrado na figura 3.
Fig. 3. Etapas de implantação do sistema Kanban na empresa estudada.
1ª Etapa
Palestra de 2 horas
transmitindo a lógica do
JIT/Kanban.
2ª Etapa
Elaboração de uma apostila
com conceitos simples e
apropriados à empresa.
4ª Etapa
Apresentação do projeto de
funcionamento do Kanban
proposto.
3ª Etapa
Simulação de funcionamento
dos sistema Kanban.
5ª Etapa
Fixação de placas com
conceitos e regras do
Kanban na área-piloto.
6ª Etapa
Implantação e execução do
projeto na área-piloto.
7ª Etapa
Avaliação do desempenho e
mensuração dos resultados.
(Figura 8)
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25
00_C&T18.book Page 26 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Fig. 4. A sistemática de funcionamento do Kanban (Monden, 1984, adaptado pelo autor).
Processo
de
Usinagem
Processo
de
Banhos
Fluxo do Kanban de produção
Fluxo de materiais
Com relação à importância da preparação da
mão-de-obra, Campos (1992) comenta que
o conceito de crescimento do ser humano
está baseado na intenção de que as pessoas devem fazer sempre serviços de valor
agregado cada vez mais alto. Maior valor
agregado para pessoas significa trabalho
no qual se escreve, fala, ordena, mostra,
instrui etc. Crescimento do ser humano significa utilizar cada vez mais a mente do
indivíduo, e não somente a força braçal.
Para isso, o indivíduo deve ser preparado
durante toda sua vida. (Campos, 1992: 155)
Portanto, uma força de trabalho motivada e
comprometida é de importância vital para a
empresa.
Em paralelo, um treinamento específico foi
montado (4.ª fase) para mostrar como funcionaria o
sistema Kanban da empresa na prática, apresentar
os contentores-Kanban e os procedimentos adotados. Nesse módulo, os funcionários puderam praticar os novos procedimentos mediante simulação da
situação real e tomaram as decisões interpretando o
painel. Na figura 4, pode-se ver o diagrama de funcionamento do sistema Kanban proposto. Como
observação, mencione-se que o suprimento de
materiais é efetuado no próprio centro de trabalho,
de acordo com a programação. O posto de coleta
indica a programação para o próximo período, ante
a retirada do contentor pelo cliente. O contentor
vazio retorna ao porta-Kanban da área produtora,
reiniciando o ciclo do sistema Kanban.
Após essas etapas, com a aplicação de alguns
testes de conhecimentos, foi possível concluir que
houve absorção dos conceitos por parte dos funcionários, melhorando, portanto, sua qualificação.
Deve-se observar, aqui, que foram afixadas
placas na área-piloto (5.ª fase) contendo conceitos e
26
Processo
de
Submontagem
Linha de
Montagem
Final
regras do sistema Kanban. Isso foi realizado com o
objetivo de fazer com que as informações chegassem o mais próximo possível dos funcionários, de
forma a que eles pudessem ler, autoinstruir-se e tirar
dúvidas – o que ajudou a estimular a curiosidade
dos funcionários das outras áreas.
As Mudanças Efetuadas na Área
Para a efetiva implantação do sistema Kanban,
as principais mudanças foram um programa de
organização e limpeza, a definição do local para o
painel porta-contentor e da fixação de prateleiras. O
Kanban atuou no sentido de facilitar a programação
dos centros de trabalho na empresa.
Com a implantação do Kanban, o objetivo
maior da administração da produção foi a redução
dos estoques, tanto em processo quanto os de segurança, baseada na minimização dos ciclos de produção e dos estoques intermediários.
Para a consecução desses objetivos, foi dada
prioridade às seguintes etapas:
1) redução dos estoques intermediários dos
materiais produzidos;
2) redução de riscos relacionados à obsolescência dos materiais através do atendimento às necessidades internas em níveis
mais precisos;
3) busca da flexibilidade da mão-de-obra
(polivalência dos funcionários);
4) melhoria dos níveis de qualidade dos processos e dos itens produzidos.
Para haver confiabilidade no funcionamento
do Kanban, foram feitos planos relativos à
implantação da manutenção produtiva total e planos de auditoria interna do sistema. As figuras 5 e 6
mostram os resultados das ações implantadas.
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Fig. 5. Situação anterior à implantação do Kanban.
Fig. 6. Vista do porta-contentor após a implantação do Kanban.
Com relação ao sistema Kanban, a figura 7
mostra claramente o fluxo de produção e processo
dos contentores entre a área produtora (tornos), a
área intermediária (acabamento) e a área consumidora (usuário final). É importante destacar uma
observação feita por Taiichi Ohno (Monden, 1984:
28): “o Kanban deve ter início sempre dentro de
um setor da empresa, passar paulatinamente para
outro, ter suas falhas corrigidas e ser consolidado
internamente, para só depois ser passado para as
outras áreas”. E ainda: “começar o Kanban de fora
(fornecedores) para dentro da empresa é o maior
erro que se pode cometer”.
Fica, portanto, destacada a importância de
se iniciar por uma área-piloto, para permitir o
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 21-29
aprendizado da técnica, e só depois expandir o
sistema. Para essa expansão, é importante criar
um clima cliente-fornecedor dentro da empresa
toda.
É relevante que, depois da implantação do
sistema, seja reservado um tempo para medir seu
desempenho e aumentar seus benefícios. Monden
(1984) alerta para o fato de que, apesar de o Kanban ser bastante simples, sua implementação é de
extrema complexidade. A falta de entendimento
do sistema JIT pode levar a um pífio aproveitamento da técnica ou, pior, ao fracasso e posterior
falta de credibilidade, provocando geralmente uma
rejeição a ela, caracterizada pelo fracasso anterior.
27
00_C&T18.book Page 28 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Fig. 7. Fluxo de contentores na linha de produção.
Movimentação de contentores no Kanban.
Consumidor
Acabamento
Tornos
4
Material Pronto
Material Pronto
Contentor Vazio
Material Pronto
Contentor Cheio
3
1
Material em Processo
2
Contentor Vazio
Material em Processo
CONSIDERAÇÕES FINAIS E
RESULTADOS DA IMPLANTAÇÃO
O conceito ocidental de maximização da utilização da capacidade produtiva instalada em função
da discussão do enfoque contábil-financeiro versus
operacional, ou seja, a utilização plena da capacidade, necessita ser alterado para o conceito de atendimento rápido das necessidades dos clientes,
recursos transformadores bem conservados e qualidade total, conceitos preconizados pelo JIT.
O argumento que justificaria a manufatura
baseada na plena capacidade seria a diluição dos
custos no alto volume de produção, sem a preocupação com a formação excessiva de estoques, pois
esses eram considerados como investimentos em
capital. Em contrapartida, o JIT pressupõe a produção somente para o atendimento das necessidades,
sendo este um ponto de extrema relevância para a
confiabilidade do sistema de manufatura e para a
efetividade do Kanban como mecanismo de execução das atividades produtivas.
Para a implantação do Kanban, a empresa
estudada mostrou-se, desde o início, extremamente
aberta à pesquisa e às mudanças que permitissem a
adoção do sistema. Isso não é comum ou corriqueiro nas empresas brasileiras e familiares, que
ainda resistem à integração e às informações da Universidade.
Procurou-se estabelecer um processo de execução com acompanhamento pari passu, buscando
melhorias contínuas no processo produtivo sem
perturbar demasiadamente o andamento das atividades no chão de fábrica.
28
A implantação apresentou bons resultados.
Eles foram quantificados e obtidos a partir de dados
coletados da seguinte forma:
• antes da implantação: os dados foram obtidos
com a comparação entre os registros de alguns
anos anteriores à implantação do Kanban junto
ao PCP;
• após a implantação: os dados foram obtidos
diretamente na área-piloto destinada para a
implantação inicial. Os resultados podem ser
visualizados na tabela 1.
Tab. 1. Demonstrativo dos resultados obtidos após a
implantação do Kanban.
CONITEM
JAN/99 MAR/
00
SUMO
Parafusos (pçs.)
Buchas (pçs.)
Ordens de fabricação
(documento emitido)
Atrasos (pçs não entregues
a operação seguinte)
Taxa de rejeição
(% ao mês)
1.100.000 45.900 1 semana
1.200.000 50.000 1 semana
510
390
_
por dia
por dia
100.000/
-0- (zero)
_
mês
7,5 a 8,0 4,0 a 5,5
_
O presente trabalho confirma, na prática, a
possibilidade de se implantar modelos de gestão de
produção com o intuito de melhorar os processos
produtivos em ramo diverso da indústria automobilística ou de autopeças. Porém, ressalta de forma
veemente que a adaptação das técnicas deve ser cuidadosamente estudada, não se tratando de um processo simples.
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Essa adaptação e a conseqüente transição para
um patamar superior em termos de gestão da produção poderão acontecer se requisitos como o
aprendizado das novas técnicas, a estabilização da
demanda e o treinamento da mão-de-obra forem
observados.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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MONDEN, Y. Sistema Toyota de Produção. São Paulo: Imam, 1984.
MOURA, R.A. Sistema Kanban de Manufatura Just-In-Time. São Paulo: Imam, 1984.
PIRES, S.R.I. Gestão Estratégica de Produção. Piracicaba: Unimep, 1995.
REGO, J.M. & MARQUES, R.M. Economia Brasileira. São Paulo: Saraiva, 2000.
SCHONBERGER, R.J. Técnicas Industriais Japonesas: nove lições ocultas sobre a simplicidade. São Paulo: Pioneira, 1993.
THIOLLENT, M. Metodologia da Pesquisa-ação. São Paulo: Cortez Editora, 1994.
WANTUCK, K.A. Just in Time for America. Southfield, Michigan: KWA Media, 1989.
YOSHIMOTO, T. Qualidade, Produtividade e Cultura: o que podemos aprender com os japoneses. São Paulo: Saraiva, 1992.
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Uma Macrovisão
sobre a Modelagem
Cinemática de
Máquinas de Medir por
Coordenadas (MMCS)
An Overview on the Kinematic Modeling of
Coordinate Measuring Machines (CMMs)
ALVARO J. ABACKERLI
Universidade Metodista de Piracicaba
[email protected]
ROXANA M. MARTINEZ ORREGO
Universidade Metodista de Piracicaba
[email protected]
RESUMO – Apesar das três décadas de utilização das MMCs, ainda não existe uma norma internacionalmente aceita que
lhes garanta medidas de desempenho adequadas. Isso torna o desempenho das MMCs muitas vezes duvidoso, impedindo a determinação exata da sua cadeia de rastreabilidade. As soluções disponíveis para a sua calibração e rastreabilidade permitem atualmente a verificação individual das partes da máquina, sem ponderar diretamente a complexidade do
conjunto. Uma solução viável para o problema são as chamadas máquinas virtuais de medir por coordenadas, por permitirem a simulação das tarefas de medição sob inúmeras condições, ponderando inclusive a complexidade da máquina e
da tarefa por ela executada. Essas máquinas virtuais constam de modelos de simulação especialmente desenvolvidos e
parametrizados fielmente em relação à prática metrológica realizada com a máquina. Entretanto, o conceito da máquina
virtual está historicamente associado à modelagem das máquinas de medir, motivando, por isso, uma discussão sobre a
conceituação geral de modelagem. Neste trabalho, isso é feito por meio de um breve relato sobre o desenvolvimento de
modelos para MMCs e sobre os procedimentos historicamente difundidos, como sintetização de erros. Exclui-se da discussão presente as modelagens dinâmicas e de efeitos térmicos, objeto de um futuro trabalho.
Palavras-chave: MODELAGEM – COMPENSAÇÃO DE ERROS – MEDIÇÃO POR COORDENADAS.
ABSTRACT – Despite the three decades of utilization of CMMs in industry, there is no internationally agreed standard by
which their performances are unequivocally defined yet. This imposes additional difficulties to be overcome towards the
determination of their traceability chain. A feasible solution for such a problem is the Virtual Coordinate Measuring
Machine (VCMMs), by which a real CMM can be simulated considering both its natural complexity and the performed
measurement task, i.e. the simulated measurement task. The Virtual Coordinate Measuring Machines are complex
arrangements of mathematical models derived each specific simulated CMM according its mechanical parameters, errors
and working conditions. However, to get a reasonable understanding about the VCMM concept and its powerful results,
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it is important to start with a clear understanding about kinematic modeling and their relationships. To do so, in this
paper an overview of kinematic modeling is brought to the readers attention, by which the concept of error compensation is up to dated just from its earlier predecessors called error synthesizing technique. No detailed discussion is developed about dynamic or thermal modeling, which will be subjects for future work.
Keywords: MODELLING – ERROR COMPENSATION – CO-ORDINATE MEASUREMENT.
MODELOS MATEMÁTICOS PARA
MÁQUINAS DE MEDIR
A
idéia de modelagem matemática de máquinas
de medir por coordenadas (MMCs) não é
nova. De fato, desde as décadas de 60-70
(NIST, 1995), modelos matemáticos são escritos
como ferramentas de previsão e compensação de
erros em máquinas de medir por coordenadas. Atualmente, com a evolução, miniaturização e disseminação dos computadores, um grande número de
instrumentos metrológicos usam modelos de compensação de erros, sendo deles dependentes para a
mais simples operação. O problema a ser tratado na
modelagem de MMCs envolve, portanto, a representação matemática de um conjunto de elementos
mecânicos dispostos seqüencialmente em uma cadeia
cinemática. Em última análise, essa representação
tem como objetivo materializar o sistema de coordenadas do equipamento, partindo da hipótese de
corpo rígido e baseada no esquema geral de uma
MMC, conforme ilustra a figura 1.
Fig. 1. Esquema geral de uma MMC (Cardosa, 1995).
32
Nas MMCs convencionais, os mecanismos
cuja relação cinemática é modelada são guias de deslizamento de alta qualidade, cada qual destinada a
materializar um grau de liberdade de um sistema
cartesiano de coordenadas. Uma máquina convencional possui três guias preferenciais de movimento,
materializando, assim, os três eixos ortogonais X, Y
e Z do sistema cartesiano. Desse modo, pode-se
dizer que a modelagem de MMCs visa estabelecer
um modelo matemático com o qual a posição efetivamente alcançada (real) pela máquina possa ser
prevista e comparada com a posição teórica alcançável (ideal) pela mesma sob as mesmas condições,
porém sem a influência de erros.
Existem inúmeros fatores que contribuem
para a geração de erros e a conseqüente degradação
da capacidade de posicionamento das máquinas de
medir (Trapet, 1991; Busch, 1996, e Miguel, 1997).
Os principais erros associados às respectivas fontes
podem ser, entretanto, agrupados em três grandes
classes: 1. erros devido à geometria; 2. erros devido
às forças estáticas; e 3. erros térmicos (Abackerli,
1996a e 1996b).
Para a presente discussão, a diferença entre a
posição efetivamente alcançada pela máquina (real)
e aquela alcançável (ideal) pela mesma será atribuída exclusivamente aos erros dos movimentos
cinemáticos, ou seja, serão atribuídos prioritariamente aos erros da geometria da máquina. Tal direcionamento fundamenta-se, inicialmente, na
relevância desse grupo de erros no desempenho global da máquina (Burdekin, 1981; Hocken, 1980, e
Love, 1973), além da importância que esse tipo de
modelagem tem ganho, ao longo dos anos, em inúmeras aplicações práticas.
Inicialmente, pode-se dizer que os referidos
erros geométricos ocorrem em função de folgas de
guias de deslizamento da máquina, necessárias para
que exista o movimento relativo entre suas partes.
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Tais folgas provocam pequenos movimentos indesejáveis em direções alheias àquelas do eixo preferencial. Convencionalmente, os erros originados na
geometria da máquina podem ser classificados
como erros de deslocamento, ou translacionais, e
erros rotacionais, ou angulares. Tomando o eixo X
da máquina como referência, os erros de deslocamento ou translacionais são identificados como retilineidade no plano X-Z, retilineidade no plano X-Y
e desvio de posição em X. Os angulares ou rotacionais, por sua vez, são denominados rotação em
torno de Y (pitch de X), rotação em torno de Z
(yaw de X) e rotação em torno de X (roll de X). A
mesma análise pode ser feita para outros eixos de
referência, como o Y ou o Z. Excetuando-se o erro
de posição na própria direção preferencial X, todos
os demais representam graus de liberdade adicionais
em direções diferentes às do movimento preferencial, causados pelas já citadas características mecânicas das guias de deslizamento. O erro de posição em
X, por sua vez, caracteriza a dificuldade que a
máquina exibe ao tentar se posicionar ao longo da
direção preferencial de movimento. É, portanto,
um grau de liberdade adicional, porém na direção
do movimento. A dificuldade de posicionamento é
típica dos mecanismos de deslocamento, aparecendo sempre nas diversas máquinas, em maior ou
menor intensidade. São, por isso, também conhecidos como erros de escala ou de posição.
Além desses erros, inerentes a cada eixo preferencial X, Y ou Z da máquina, verifica-se também
que a ortogonalidade entre cada par de eixos X-Y, XZ e Y-Z também não é perfeita. Tais erros, conhecidos como erros (ou desvios) de perpendicularismo
ex, ey e ez, podem ser acrescentados à lista de fatores geométricos que contribuem para a degradação
do desempenho das máquinas de medir.
Considerando, portanto, os seis graus de
liberdade adicionais de cada eixo preferencial de
movimento, além dos três erros de perpendicularismo, chega-se ao total de 21 erros geométricos
que influenciam no desempenho das máquinas de
medir e que são tipicamente formulados matematicamente nas modelagens.
Para o tratamento desse problema na modelagem, os erros geométricos associados aos eixos preferenciais X, Y e Z são ditos erros paramétricos
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(ANSI/ASME, 1992; ANSI/ASME, 1985), por permitirem sua descrição em função das coordenadas
x, y e z da máquina. Assim, por exemplo, o erro de
posição em X causado pelo movimento da máquina
na direção preferencial X é escrito como uma função dx(x), ou dxx para simplicidade de notação.
Analogamente, a rotação em torno de X causada
pelo movimento da máquina também na direção X
é escrito como ex(x) ou exx. Genericamente,
denota-se pela função dj(k) ou djk o erro translacional verificado na direção J quando a máquina se
movimenta na direção preferencial K . Os erros
angulares, por sua vez, são denotados por ej(k) ou
ejk, representando rotações em torno da direção J
quando a máquina se movimenta também na direção K .
É importante lembrar que o tratamento dos
erros das máquinas de medir segundo a discussão
acima baseia-se na hipótese de corpo rígido
(Hocken, 1977, e Schultschik, 1977). Na abordagem aqui discutida, exclusivamente geométrica, é
suposta, ainda, a inexistência de outros efeitos que
contribuam para degradação do desempenho da
máquina, como deformações devidas às cargas ou
deformações térmicas. Hipóteses de contorno adicionais podem ser acrescidas para introduzir esses
efeitos, além dos erros geométricos (Everhart, 1991,
e Sata, 1973). Entretanto, cuidados devem ser
tomados nessa iniciativa, uma vez que procedimentos experimentais de validação e teste da máquina
simulada devem ser conduzidos a cada novo fator
de influência introduzido no processo de modelagem – não sendo essa uma possibilidade rotineira
para muitos casos práticos de aplicação de modelagem de máquinas de medir (Abackerli, 1996a).
Aspectos Históricos da
Modelagem de Máquinas
de Medir por Coordenadas
Existe um grande número de publicações
relatando o desenvolvimento de modelos matemáticos para MMCs, bem como metodologias de
ensaio e implementação dos referidos modelos em
diversos tipos de máquinas. Um documento particularmente interessante apresentando esses desenvolvimentos foi produzido pelo National Institute of
Standards and Technology (NIST), dos Estados Unidos, em 1993, e atualizado em 1995. O documento
33
00_C&T18.book Page 34 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
traz uma excelente cronologia dos principais desenvolvimentos da área, conforme ilustra a discussão a
seguir.
Um primeiro aspecto a ser considerado na discussão desses modelos diz respeito às condições de
contorno normalmente aplicáveis na sua elaboração
e utilização. Num modelo já bastante utilizado em
máquinas de medir (Everhart, 1991, e Bell, 1992),
foi assumido que os erros geométricos acima discutidos eram os únicos presentes na máquina, mantendo-se a hipótese de corpo rígido no tratamento
do movimento da máquina. Tais condições permitiram parametrizar os erros unicamente em função
da posição de cada eixo da máquina, excluindo-se
outros efeitos, como velocidade e aceleração do
movimento. Adicionalmente, considerou-se que a
variação dos erros era suficientemente lenta para
que eles pudessem ser descritos por funções contínuas entre os pontos de calibração dentro do
volume de trabalho. Essa foi uma pequena variação
da idéia usada nos anos 70, na qual o erro de cada
eixo da máquina foi escrito como função de todos
os eixos (Hocken, 1977).
Um modelo seguinte, dito de maior ordem,
incluiu erros dependentes da velocidade de
movimentação da máquina, e por essa razão foi chamado de modelo de velocidade. Essa iniciativa foi
usada em controladores de máquinas de usinagem,
nos quais o sinal da velocidade (positivo ou negativo), ou sua mudança, foi usado para compensar a
histerese de movimentação do equipamento. Nesses
modelos, funções matemáticas bastante simples
foram usadas para representar apenas o erro de
posição do eixo considerado. Os demais erros geométricos e os desvios de ortogonalidade entre eixos
não foram usados.
Modelos envolvendo aceleração do movimento também são possíveis, mas não são assim
referidos na literatura. Em geral, são encontrados
em modernos sistemas de controle (Fanuc, 1993),
como parte de esquemas chamados feed forward,
utilizando perfís de aceleração para posicionamento
em arestas e contornos de variação abrupta. Por não
se enquadrarem no escopo da discussão presente,
tais modelos são deixados fora deste contexto. Maiores detalhes sobre eles podem ser encontrados em
literatura especializada (Weck, 1990).
34
Erros térmicos também aparecem em modelos, sob uma grande variedade de formas. Numa
forma simples chamada modelo de ordem zero, a
dimensão é corrigida simplesmente pela aplicação
do coeficiente de expansão ao material considerado,
a partir da temperatura de referência. Discussões
detalhadas dessa abordagem podem ser encontradas
em algumas normas (ANSI/ASME, 1973, 1990 e
1992). Modelos térmicos mais aprimorados envolvem compensação da expansão térmica das escalas
da máquina (Everhart, 1991, e Bell, 1992). Eles
podem ser implementados usando valores nominais
de coeficientes de expansão com um único sensor
por escala ou usando múltiplos sensores com a
medição do valor efetivo do coeficiente de
expansão da máquina modelada (Zhang, 1985).
Alguns pesquisadores têm explorado a idéia
de executar modelos usando o perfil de temperatura
completo da máquina, uma vez que os gradientes de
temperatura e sua variação têm provado ser de
grande influência (Bryan, 1968). Uma abordagem
para isso (Donmes, 1986) trata o problema usando
modelos geométricos como os acima discutidos,
mas tornando tais erros função também da temperatura, além da posição. Modelos menos empíricos
já foram usados (Sata, 1973, e Weck, 1974) para
prever distorções através da técnica de Elementos
Finitos, porém com sérios problemas de previsão de
alinhamento de partes da máquina sob certas condições (especialmente em máquinas ferramentas).
O uso de modelos para ponderação de erros
induzidos por carregamento não está tão aprimorado como os efeitos térmicos acima discutidos,
apesar de alguns efeitos de carregamento das próprias máquinas já terem sido relativamente explorados. Além disso, um bom modelo geométrico pode
compensar grande parte dos efeitos de carregamento característicos da estrutura das máquinas,
desde que as partes móveis possam sustentar a hipótese de corpo rígido. Isso, dentro de certos limites,
suprime a necessidade de modelagem específica
para carregamentos.
Um próximo nível de complexidade na ponderação de efeitos do carregamento envolve a ponderação das peças introduzidas nas máquinas. Essa
abordagem vem sendo considerada já há vários anos
(Hocken, 1977, e Schultschick, 1979), mas ainda
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não pode ser tratada como um assunto bem desenvolvido. Alguns esforços também têm sido feitos
pela comunidade de máquinas de medir para desenvolver normas de auxílio à avaliação da perda de
exatidão em função do carregamento (ANSI/
ASME, 1993).
É importante observar que todos os erros
acima discutidos classificam-se como quase-estáticos, caracterizando-se pela grande estabilidade e
lenta variação no tempo. Isso, em geral, permite sua
monitoração em tempo real e a correspondente
modelagem para fins de compensação. Porém, existem outros efeitos dinâmicos, que não estão incluídos na classe de efeitos acima discutidos. Apenas
como exemplo citamos as vibrações induzidas por
unidades hidráulicas e os efeitos dinâmicos de forças
devido à interação peça-ferramenta presente em
operações de usinagem, para os quais tratamentos
especializados e fora do presente contexto são
necessários (Tlusty, 1985).
Com tais possibilidades de modelagem, é imediato inferir sobre a grande variedade de testes e
metodologias de implementação dos modelos nos
esquemas de compensação. De fato, muitas possibilidades existem. Contudo, estão excluídas da presente discussão, que visa apenas a elaboração de
modelos quase-estáticos para erros geométricos em
máquinas de medir.
Um aspecto interessante a ser observado é a
estreita relação entre o desenvolvimento de modelos
para máquinas ferramentas e para máquinas de
medir. A simples revisão bibliográfica revela que
ambos sempre estiveram bastante relacionados, ao
ponto em que sucessos numa área fossem experimentados na outra, com as devidas adaptações.
Disso decorre o fato, por exemplo, de a terminologia dos erros geométricos para máquinas de medir
ser encontrada nas referência sobre máquinas ferramentas, segundo a bibliografia americana aqui utilizada.
Sob o aspecto estritamente histórico, pode-se
dizer que o conhecimento dos efeitos da geometria
sobre o desempenho das máquinas é tão antigo
quanto a sua própria criação (NIST, 1995). Evidências de montagens cinemáticas (Maxwell, 1876, in
NIST, 1995), referências sobre retilineidade (RamsREVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 31-43
den, 1779, in NIST, 1995) e cuidados extremos
para desenvolver fusos de precisão (Holtzapffel,
1846, in NIST, 1995) existem desde os primeiros
desenvolvimentos de máquinas e instrumentos. É
provável que as iniciativas reais de desenvolvimento
de modelos de erros angulares e deslocamentos
tenham sido conduzidas por Abbè (Abbè, 1890, in
NIST, 1995). Nelas, entretanto, não existem evidências explícitas da aplicação de matemática. Apesar
disso, o uso de artifícios mecânicos para compensação de imperfeições surgiu por volta de 1865 (Sip,
1952, in NIST, 1995), antes até da maioria das
idéias formais de modelagem. Na era moderna da
metrologia de máquinas, o provável precursor dos
trabalhos foi Schlesinger (Schlesinger, 1927, in
NIST, 1995), mas sem ter publicado modelos
matemáticos detalhados para fins de previsão e
compensação de erros. Na década de 60, French
(French, 1967) apresentou seu trabalho, no qual claramente faz aplicação de correção de erros por software através de um programa de computador.
Nele, o autor usa geometria euclidiana para deduzir
um modelo da máquina e compensar os erros angulares e a histerese do movimento. No trabalho, é
usado um modelo de velocidade, com o sinal da
velocidade indicando a direção do movimento.
Mais tarde, Bryan apresenta o International Status
of Thermal Error Research, no qual não apresenta
grandes modelagens, mas traz as complexas relações
dos efeitos térmicos nas máquinas, relacionando-os
com suas origens (Bryan, 1968). Ainda nos anos 70,
Love e Scarr (Love, 1973) discutem a análise de
erros planos e volumétricos, fazendo o que talvez
seja a primeira menção de exatidão volumétrica. Em
1975, trabalhos tratando de compensação de erros
térmicos através de software aparecem, demarcando
a importância entre os efeitos da temperatura e os
erros de deslocamento em máquinas (Okushima,
1975). Nos anos seguintes, outros trabalhos de compensação por software foram publicados, fundamentando importantes bases da conceituação
metrológica do problema, como cinemática de corpos rígidos para análise de máquinas, além de
modelos em que o erro generalizado é função da
posição, da distribuição de temperatura e do carregamento da máquina modelada (Hocken, 1977).
35
00_C&T18.book Page 36 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
A década de 80 foi especialmente ativa na
área, trazendo inúmeros trabalhos voltados, principalmente, à correção de erros em máquinas-ferramentas. Zhang trabalha com correção de erros via
software em máquinas de medir (Zhang, 1985).
Nesse trabalho, aparece, provavelmente, a primeira
a menção do uso do ensaio das diagonais do volume
de trabalho para avaliação dos erros, testes esses atualmente normalizados pela ANSI (ANSI/ASME,
1990). O desenvolvimento de modelos e esquemas
de compensação prossegue até que Teeuwsen apresenta o que parece ser o estado da arte na modelagem de máquinas de medir, através de um método
geral para descrição dos erros usando ajustes polinomiais (Teeuwsen, 1989). Uma análise detalhada dos
resultados revela o uso de transformações
homogêneas na modelagem cinemática, além dos
gradientes térmicos não terem sido medidos até
aquele momento. Isso tornou o trabalho uma boa
contribuição na área. Mais tarde, Balsamo publica
um método para correção térmica em máquinas de
medir que talvez tenha sido o mais complexo
modelo matemático já utilizado até então (Balsamo,
1990). Nele, a informação de mais de cem sensores
térmicos é utilizada sob a hipótese da completa descrição dos erros usando os 18 erros geométricos
anteriormente discutidos, modificados pela temperatura. Outros trabalhos também trouxeram importantes contribuições na modelagem de temperatura
em máquinas-ferramentas e máquinas de medir,
não se tendo, hoje, variações significativas nas abordagens de modelagem para os fins discutidos (Trapet, 1989a; Bryan, 1990, e Lingard, 1991).
Apesar de breve, e provavelmente omissa em
alguns importantes trabalhos da área, a presente
revisão traz importantes marcos históricos do
desenvolvimento de modelos matemáticos para
máquinas de medir e de usinagem. Pode ser notado
que os métodos de compensação atuais mais
comuns tiveram origem nas décadas de 70 e 80,
principalmente no NIST, sendo levados à Universidade de Purdue, onde métodos derivados foram
desenvolvidos. Só foi no final dos anos 80 que grupos europeus introduziram inovações no processo,
particularmente através dos grupos do Physikalisch36
Technische Bundesanstalt (PTB), da Alemanha, e da
Universidade de Eindhoven (NIST, 1995).
Com relação específica à modelagem, pode-se
dizer que os modelos têm se tornado matematicamente mais complexos, porém, o uso de transformações matriciais tem se tornado quase universal.
Os modelos geométricos têm sido adaptados para
muitas máquinas de medir, ainda não estando em
grande uso em máquinas-ferramentas. O mesmo
ocorre com modelos de baixa ordem para compensação térmica, particularmente em uso nas MMCs
de grande exatidão. Finalmente, pode-se dizer que
modelos envolvendo velocidades e acelerações não
têm sido de grande uso, embora esses efeitos comecem a ser representativos nas máquinas de medir de
última geração.
MODELAGEM CINEMÁTICA
DE MÁQUINAS DE MEDIR
POR COORDENADAS
Discutidos os aspectos gerais e históricos da
modelagem, passa-se aqui a uma breve revisão sobre
o desenvolvimento dos modelos cinemáticos diretamente relacionados a MMCs. Para isso, seu conceito de desenvolvimento será apresentado, junto
com as principais condições de contorno de cada
trabalho usado na discussão.
Conforme citado, a descrição matemática dos
erros quase-estáticos visa representar a cadeia cinemática da figura 1, tomando a hipótese de corpo
rígido e a caracterização dos erros paramétricos da
máquina acima discutidos. Além deles, os modelos
desenvolvidos baseiam-se na hipótese de superposição de efeitos geométricos, a partir da qual o erro
total (composto) de um determinado eixo pode ser
obtido adicionando-se apropriadamente os erros
individuais daquele eixo. Essa abordagem tem
gerado discussões, uma vez que tem implicações
diretas na forma pela qual os erros são medidos na
máquina modelada (Abackerli, 1997a).
O primeiro aspecto relevante da modelagem é
o seu efetivo significado na máquina de medir. A
figura 2 ilustra de maneira interessante uma interpretação que pode ser dada ao problema.
Dezembro • 2001
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Fig. 2. Representação vetorial da modelagem cinemática (Cardosa, 1995).
Como ilustra a figura, tomando-se um sistema
de referência absoluto, fixo à base da máquina, um
vetor Sem Erro pode ser escrito para descrever a
posição tridimensional ideal do apalpador. Se considerados, então, os erros cinemáticos, um outro
vetor, Com Erro, pode ser escrito para representar
também a posição do apalpador, porém influenciado pelos citados erros cinemáticos. Sob tais condições, o erro tridimensional procurado pode ser
escrito diretamente como a diferença da posição
fina do apalpador pelos dois caminhos, Com Erro e
Sem Erro, como ilustra a relação a seguir.
Erro = Caminho com Erros – Caminho sem Erros
(1).
Existem várias técnicas para o desenvolvimento
matemático desses modelos. Uma técnica bastante
conhecida, quase em desuso atualmente, baseia-se na
análise da contribuição individual de cada erro geométrico (dxx, dxy, dxz, exx ...) dentro do erro global
e na subseqüente elaboração de pequenas equações
para cada contribuição (Burdekin, 1985, e Di Giacomo, 1986). Tomando essas pequenas equações e
usando da superposição, as equações dos erros para
cada eixo preferencial envolvido podem ser escritas
conforme mostram as expressões a seguir.
Ex = dx (x) + dx (y) – ez (x).y – ez(x).y + [ey (x) + ey (y) + ey].z
Ey = dy (y) + dy (z) + dy (x) – [ex (y) + ey (x) + ex].z
(2).
Ez = dz (z) + dz (x) + dz (y) – ex(x).y
Nessa formulação, cada termo teve seu sinal,
positivo ou negativo, atribuído a partir da análise
individual de cada erro geométrico equacionado.
Assim, por exemplo, o termo ez(x).y que integra a
componente Ex do erro (ver equação 2) teve seu
sinal negativo atribuído mediante constatação prática de que quando o erro angular ez(x) e a coordenada y são positivos, a contribuição desse efeito no
erro global Ex é negativa. Esse procedimento
implica, necessariamente, na análise detalhada da
estrutura da máquina modelada para a determinação da influência individual de cada erro.
Uma abordagem menos trabalhosa envolve a
adoção de sistemas de coordenadas intermediários
ao longo de toda a cadeia cinemática e para cada
grau de liberdade da máquina (Zhang, 1985 e
1988; Cardosa, 1995, e Abackerli, 1999). Vide a
figura 1 para ilustração.
Adotados os sistemas, pode-se escrever matricialmente as componentes vetoriais do caminho
Com Erro, conforme ilustram as expressões a seguir.
Nas referidas expressões, {Xe}, {Ye} e {Ze} são as
componentes das coordenadas influenciadas por
erros, {Tp} = {xp yp zp}t é o afastamento do apalpador (probe off-set) referido ao extremo do eixo Z
e R(u) é a matriz de rotações elementares dos erros
angulares, onde u representa cada direção preferencial. Nessa representação, a matriz R(u) é assumida
linearizada, tendo sido excluídos os produtos cruzados dos erros angulares geradores de termos de
segunda e terceira ordens.
 x + dx ( x ) 
 dx ( y )—ez.y




{ Xe } =  dy ( x )  ; { Ye } =  y + dy ( y ) 




 dz ( x ) 
 dz ( y ) 
 dx ( z )— ey.z
 xp 


 
{ Ze } =  dy ( z )— ex.z ; { Tp } =  yp 


 
 z + dz ( z ) 
 zp 
(4).
Na equação acima, os valores Ex, Ey e Ez são
as componentes vetoriais do erro conforme definido na equação 1, ou seja,
1
ez ( u ) – ey ( u )
R ( u ) = – ez ( u )
1
ex ( u )
ey ( u ) – ex ( u )
1
 Ex 
 
Erro =  Ey 
 
 Ez 
Usando tais expressões, a posição tridimensional do apalpador pode ser definida pela seguinte
expressão (Zhang, 1988):
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 31-43
(3).
37
00_C&T18.book Page 38 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
–1
–1
–1
–1
–1
–1
{ Pe } = { Xe } + R ( X ) .{Ye}+R ( X ) .R ( Y ) { Ze } + [ R ( X ) .R ( y ) R ( Z ) ]. { Tp }
Isolando a influência do afastamento do apalpador {Tp}, além das coordenadas x, y e z da
máquina não influenciadas pelos erros, chega-se aos
erros geométricos Ex, Ey e Ez na forma:
Erro = 0
x 
 
–1
–1
–1
{ Pe } –  y  – [ R ( X ) . R ( Y ) . ( R ( Z ) ) ].
 
z 
 xp (6).
 
 yp 
 
 zp 
Uma outra notação mais sintética para obtenção de expressões de erros equivalentes é conseguida com o uso de transformações homogêneas na
representação dos erros e movimentos individuais
(Teeuwsen, 1989). As expressões seguintes ilustram
essa representação:
1
ez ( u ) – ey ( u )
1
ex ( u )
R ( u ) h = – ez ( u )
ey ( u ) – ex ( u )
1
0
0
0
1
T ( u )h = 0
0
0
0
1
0
0
0 dx ( u )
0 dy ( u ) ; { Tp } =
h
1 dz ( u )
0 1
0
0 ;0
0
1
(7).
 xp 
 
 yp 
 
 zp 
1 
 
(7).
Nessas expressões, a matriz homogênea R(u)h
representa os erros angulares, T(u)h representa os
erros translacionais e {Tp}h representa o afastamento do apalpador anteriormente citado. Nessa
representação homogênea, com coordenadas P =
{x, y, z, w}t, o elemento w é chamado de fator de
escala. Para as aplicações de modelagem em que a
ampliação ou a redução do espaço de coordenadas
não é de interesse, um valor unitário é atribuído ao
mesmo. Maiores detalhes sobre transformações
homogêneas podem ser encontrados em Alves
(1988), Denavit (1955), Ferreira (1986), Cardosa
(1995) e Abackerli (1992).
As expressões 8 e 9 ilustram as transformações
homogêneas para uma máquina de medir genérica,
onde Xeh, Yeh, Zeh são os equivalentes homogêneos
de {Xe}, {Ye} e {Ze} das expressões 4 acima. As
38
(5)
.
matrizes R(X)h, R(Y)h e R(Z)h são também a forma
homogênea de expressão dos erros angulares também
citados. É importante frisar que, para o efetivo aproveitamento da forma sintética de notação das transformações homogêneas, é conveniente expressar os
desvios de perpendicularismo ex, ey e ez junto com
alguns dos erros de retilineidade. Tal procedimento
elimina as operações que envolvem separadamente os
desvios de retilineidade e perpendicularismo nas
expressões de erro. Entretanto, é importante notar
que esse procedimento tem implicações diretas nas
formas de calibração da máquina e no ajuste matemático das referidas funções de erro, reafirmando, portanto, a estreita dependência entre os modelos
elaborados e a forma de avaliação da MMC modelada. Disso decorrem inúmeras outras formulações
desenvolvidas para adequar os modelos matemáticos
aos procedimentos efetivos de teste da MMC modelada (Jouy, 1986; Trapet, 1989b; Kunsmann, 1990;
Zhang, 1991; e Kruth, 1994).
1
Xe h = 0
0
0
0
1
0
0
1
Ze h = 0
0
0
0 x + dxx
10
0 dyx ; Ye = 0 1
h
1 dzx
00
0
1
00
0
1
0
0
0 dxy – ez. y
0 y + dyy ;
1
dzy
0
1
(8).
0 dxz – ey. z
0 dyz — ex.z
1 z + dzz
0
1
1 ezx – eyx 0
–
ezx
1 exx 0
R ( X )h =
eyx – exx 1 0
0
0
0 1
1 ezx – eyy 0
R ( Y ) h = – ezy 1 exy 0
eyy – exy 1 0
0
0
0 1
(9).
1 ezz – eyz 0
–
ezz
1 exz 0
R ( Z )h =
eyz – exz 1 0
0
0
0 1
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Escritas essas expressões, a posição tridimensional do apalpador passa ser escrita através de transformações homogêneas, como segue:
{Pe}h = Xeh . R(X)h .Yeh . R(Y)h . R(Z)h . Zeh . {Tp}h
(10).
Se o afastamento do apalpador {Tp}h também é escrito na forma de T(u)h, ao resultado da
equação acima acrescentam-se as seguintes informações.
[ Pe ] 4x4 =
nx ox ax  0 
 
n y o y a y  Pe 
 
n o a 0 
z
z
(11).
z
0 0 0
1
No resultado acima, o {Pe} ainda expressa as
coordenadas do apalpador. A matriz quadrada
superior esquerda (3 x 3) representa a orientação
espacial (atitude) do apalpador em relação ao sistema de coordenadas absoluto adotado para a
modelagem. Essa informação é importante quando
apalpadores não esféricos ou com pontas múltiplas
são usados nas medições tridimensionais.
Isolando novamente a influência do afastamento do apalpador {Tp} e as coordenadas x, y e z
da máquina, chega-se aos erros geométricos Ex, Ey
e Ez anteriormente discutidos. Cabe observar que
muitas vezes não é interessante retirar a influência
do afastamento {Tp} do apalpador da expressão.
Isso porque, em geral, escrevem-se modelos exatamente para prever erros na extremidade do apalpador, sendo, portanto, uma parte importante do
resultado obtido. Entretanto, algumas vezes ocorre
a necessidade de equacionar o afastamento {Tp}
para representar a complexidade real dos apalpadores usados em MMCs. Esse procedimento é ilustrado nos parágrafos seguintes.
Da mesma maneira que as máquinas de medir
são modeladas para compensação de erros, também
seus apalpadores (probes) podem receber tal tratamento. Na verdade, vários trabalhos têm sido desenvolvidos para investigar o desempenho e a influência
dos apalpadores no desempenho das máquinas de
medir (Peggs, 1991; Liao, 1995; e Miguel, 1996).
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 31-43
Em algumas iniciativas, são investigadas formas alternativas de confecção de apalpadores que apresentem
desempenhos melhores do que os modelos comerciais em uso (Butler, 1990; Lotze, 1994; e Dobosz,
1994). Apesar disso, dois são os modelos principais
de apalpadores em uso no mercado: os apalpadores
analógicos e os apalpadores mecânicos do tipo touch
trigger. Entretanto, o tipo touch trigger é o mais largamente utilizado, sendo o de interesse na presente discussão (Abackerli, 1996a).
Na modelagem desses apalpadores, busca-se
também equacionar os fatores de influência no seu
desempenho, de maneira a obter informações de
erros que permitam corrigir as coordenadas do
vetor {Tp} anteriormente discutido (Mayer, 1995 e
1996). Maiores detalhes sobre os fatores de influência podem ser encontrados em Phillips ou Butler
(Butler, 1991, e Phillips, 1995). Uma análise dos
fatores de influência revela que o efeito direcional
de lóbulos (lobbing effect ou pré-travell variation) é
dominante na maioria das aplicações, devido ao
mecanismo típico de três contatos cinemáticos existentes nesse tipo de apalpador. A figura 3 mostra
um exemplar desses apalpadores instalado na
cabeça indexadora (Indexing Probe Head).
Fig. 3. Apalpador do tipo comutador (touch trigger).
39
00_C&T18.book Page 40 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Dada a grande sensibilidade do mecanismo de
três contatos contido nesses apalpadores, ele apresenta variações de desempenho em função das
características mecânicas dos componentes, das condições de funcionamento da máquina de medir na
qual está instalado e do contato apalpador-peça
durante o processo de medição (Butler, 1991).
Quanto ao processo de modelagem dos apalpadores, é aplicada uma grande diversidade de
técnicas, de acordo com o efeito que se pretende
modelar. Modelagens elaboradas são encontradas
para ponderar efeitos elásticos da ponta de contato
em função das suas propriedade mecânicas e da
interação apalpador-peça (Shen, 1995). Também os
efeitos de reação da mola do mecanismo podem ser
modelados, ponderando-se, inclusive, a orientação
espacial do apalpador (Shen, 1996a, e 1996b). Cabe
citar que a configuração efetiva dos apalpadores
varia bastante segundo os acessórios com eles utilizados nas medições, sendo, portanto, parte integrante da modelagem. Esses acessórios envolvem
uma grande variedade de cabeças indexadoras, prolongadores, adaptadores, pontas de contato e apalpadores propriamente ditos, o que torna as
modelagens em condições específicas geralmente
feitas vertical (Shen, 1995 e 1996a) ou horizontal
(Shen, 1996b), casos particulares das configurações
possíveis. Tudo isso conduz a técnicas de modelagem mais flexíveis, capazes de acomodar rapidamente as variabilidades de configuração próprias
desses componentes, bem como os seus fatores de
influência mais relevantes. Isso torna as notações
matriciais bastante interessantes, particularmente as
transformações homogêneas, pelos aspectos de
notação compacta já discutidos (Abackerli, 1997b).
Cabe, contudo, uma importante distinção
prática na aplicação de modelos matemáticos de
apalpadores como parte integrante das máquinas de
medir. A possibilidade de caracterizar erros da
máquina de medir como paramétricos e usá-los na
formulação da modelagem está diretamente relacionada à possibilidade de recuperar seus parâmetros,
ou seja, as posições da máquina durante as
medições. Uma condição um pouco diferente
ocorre com a modelagem de apalpadores, porque
eles podem ser parametrizados em função de variáveis internas do próprio apalpador ou da cabeça
40
indexado, porém sua utilização depende de variáveis externas. Efetivamente, modelam-se os apalpadores pelas suas variáveis internas, mas sua
utilização depende da direção do contato entre apalpador e peça, condição que ainda restringe sua aplicação em alguns casos práticos (Pahk, 1996).
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A discussão aqui apresentada, embora não
completa, proporciona uma contextualização bastante precisa da questão de modelagem, sua
conceituação geral, alguns elementos históricos do
seu desenvolvimento e uma abordagem envolvendo
as transformações homogêneas atualmente utilizadas para tratamento do problema. Por esta abordagem, destaca-se a importância e aplicabilidade da
modelagem cinemática na compensação de erros
em máquinas de medir, enfatizando-se o fato de ser,
atualmente, a mais comum estratégia de compensação de erros em máquinas de medir comerciais.
Contudo, é interessante frisar que, num grande
número de casos, a utilização dessas técnicas em
máquinas comerciais não se baseia em modelos
paramétricos completos, por várias razões de ordem
econômica e técnica. Alguns estudos recentes
demonstram resultados promissores com a utilização de modelos cinemáticos de compensação bastante linearizados e simplificados (Orrego, 1999).
Entretanto, mesmo esses modelos são sofisticados,
se comparados com alguns de usos comercial, que
se restringem a compensar alguns poucos parâmetros da máquina, de maneira a ajustar seu desempenho dentro dos limites da sua especificação. Quanto
à modelagem do apalpador, várias iniciativas também foram vistas, destacando-se o fato de o contato
entre o apalpador e a peça ser, ainda, um fator bastante determinante nas suas aplicações práticas.
De uma forma geral, é importante perceber,
pela discussão apresentada, as estreitas ligações existentes entre as várias iniciativas de modelagem verificadas ao longo dos anos, que vão desde as equações
de sintetização (Burdekin, 1985, e Di Giacomo,
1986) até as recentes máquinas virtuais (Pahk, 1993;
Kunsmann, 1990-94; Schwenke, 1994; Cardosa,
1995; Abackerli, 1996-99, e Orrego, 1999). Estabelecidas as condições periféricas da sua implementação, como o avanço dos computadores e softwares,
Dezembro • 2001
00_C&T18.book Page 41 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
elas podem ser interpretadas como abordagens
semelhantes para o mesmo problema de compensação de erros – portanto, diferentes fases evolutivas
desta abordagem tecnológica.
Agradecimentos
À Fundação de Amparo à Pesquisa do
Estado de São Paulo (Fapesp) pelo apoio
financeiro à realização deste trabalho (96/
5961-1).
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REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 31-43
43
00_C&T18.book Page 44 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
44
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00_C&T18.book Page 45 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Calibração de MM3Cs
Utilizando uma
Barra de Furos
Calibration of the CMM Using Hole Bar
BENEDITO DI GIACOMO
Escola de Engenharia de São Carlos-Universidade de São Paulo
[email protected]
RENATA BELLUZZO ZIRONDI
Escola de Engenharia de São Carlos-Universidade de São Paulo
[email protected]
RESUMO – Estudos têm sido realizados sobre os principais artefatos utilizados na calibração de máquinas de medir a três
coordenadas com a finalidade de indicar as diferenças de desempenho entre eles. Aspectos como a capacidade de testar
diferentes erros de geometria, do sistema de sondagem, a facilidade de calibração, a rastreabilidade à unidade fundamental, as dimensões e níveis de qualidade, as incertezas e a estabilidade sob influências ambientais são os mais estudados. Este
artigo apresenta um procedimento para calibração de máquinas de medir a três coordenadas utilizando uma barra de
furos.Com este procedimento é possível obter com facilidade, rapidez e baixo custo, a rastreabilidade e a expressão das
incertezas. Uma comparação entre diferentes artefatos é apresentada e os resultados da calibração de uma MM3C utilizando a barra de furos foram comparados aos obtidos por meio de um sistema interferométrico .
Palavras chave: MM3CS – CALIBRAÇÃO DE ERROS – CALIBRAÇÃO DE ARTEFATOS.
ABSTRACT – Research has been made and still are on the comparison of the performance of different artifacts under different aspects such as: capacity of measuring different geometric errors, of evaluating the measuring system and the probe
behavior, the easiness of use, the traceability to the fundamental unity, the size, the bulkiness, the quality level, the uncertainty and stability under environmental influences. This paper describes the calibration of coordinate measuring
machines using a hole bar and shows that the traceability and the expression of the errors uncertainties can be obtained
very easily, fast and at low cost. A comparison among different artifacts is presented and the calibration data obtained
using the hole bar are compared with data obtained with an interferometric system.
Keywords: CMM – ERROR CALIBRATION – CALIBRATION ARTIFACTS.
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 45-53
45
00_C&T18.book Page 46 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
INTRODUÇÃO
D
esde a introdução das máquinas de medir
por coordenadas (MM3Cs) na indústria,
pela Ferranti, organizações internacionais de
padronização, institutos de pesquisas, universidades
e indústrias têm desenvolvido métodos de calibração
e testes de desempenho para avaliar os erros das
medições. Em muitos casos, esses métodos são baseados em artefatos, como blocos padrões, barras de
esferas, padrões passo a passo etc.
Segundo Knapp et al. (1991), estudos realizados
pelo Comitê Suíço de Normalização sobre os principais artefatos indicam diferenças no seu desempenho
em relação aos seguintes aspectos: capacidade de testar
diferentes erros geométricos, do sistema de sondagem;
facilidade de calibração; rastreabilidade à unidade fundamental; dimensões e níveis de qualidade; incertezas
e estabilidade sob influências ambientais.
Os artefatos testados foram padrões passo a
passo, barras de esferas, círculos padrões, além das
placas de esferas e de furos. Entre as conclusões
apresentadas pelo autor, destacam-se duas, relacionadas ao escopo deste trabalho:
• nas placas de esferas e de furos, os erros de
forma das esferas e dos furos deixam de ser
importantes se um número razoável de pontos
forem tomados;
• há a sugestão para a utilização da autocalibração, especialmente a técnica da reversão para a
qualificação de placas de esferas e furos, sobre a
qual até então nada havia sido publicado.
Entretanto, devido à complexidade e universalidade das máquinas de medir a três coordenadas,
não se dispõe até hoje de meios de calibração que
propiciem a rastreabilidade das dimensões aos
padrões internacionais – mesmo porque, até o presente momento, a noção de rastreabilidade aplicada
às medições tridimensionais é um tanto incipiente, e
não se dispõe de procedimentos claros e práticos
para os usuários (Swyt, 1995).
Segundo Swyt (1995), no período que antecedeu os anos 90, rastreabilidade, para os fabricantes
do mercado americano, resumia-se a apresentar os
certificados de calibração dos seus instrumentos.
Com a formação dos grandes blocos econômicos, a
globalização e o advento de normas internacionais
da qualidade, iniciou-se a busca por conceitos mais
modernos de rastreabilidade, como forma de adequação aos requisitos dos sistemas de garantia da
46
qualidade dos compradores. Esses conceitos, necessários em todas as medições, estabelecem que:
• é necessário que se esteja apto a demonstrar a
cadeia contínua de padrões pela qual a medição
foi realizada;
• é necessário que a incerteza da medição com relação ao padrão internacional seja sempre expressa.
Baseado no exposto acima, o uso de uma
barra de furos para calibrar as componentes do erro
volumétrico de uma máquina de medir a três coordenadas torna-se muito interessante. Entre as muitas
razões que qualificam o artefato para a tarefa, estão
o baixo custo e o tempo de fabricação e de pré-calibração. A barra também é manipulada facilmente e
o procedimento de calibração da MM3C não apresenta dificuldades. A rastreabilidade pode ser alcançada pela calibração da distância entre os centros do
primeiro e último furo, o que diminui os custos
associados à pré-calibração do artefato.
A calibração utilizando a barra de furos associa as vantagens dos procedimentos de calibração
diretos e indiretos.1 Além disso, permite a identificação dos erros individuais e suas fontes, considera a
influência do sistema de sondagem, e o tempo relativamente pequeno do processo de calibração reduz
influências ambientais. Portanto, a utilização da
barra de furos é útil aos fabricantes e usuários.
Este artigo descreve como podem ser avaliadas as componentes dos erros volumétricos de uma
máquina de medir a três coordenadas utilizando
uma barra de furos (fig. 1). Além disso, é apresentada uma análise detalhada do método de separação
dos erros e da técnica de reversão utilizada.2 Simultaneamente, é demonstrado que a rastreabilidade e
a expressão da incerteza dos erros medidos podem
ser obtidas de forma rápida e fácil. Uma comparação entre artefatos diferentes é apresentada, e os
dados de calibração obtidos usando a barra de furos
são comparados com aqueles em que se usou um
sistema de interferométrico a laser.
1
A calibração indireta tem como característica principal a avaliação
dos erros da máquina utilizando-se peças padrões pré-qualificadas e
normalizadas. Essas técnicas são de especial interesse para os usuários,
uma vez que oferecem como resultado direto a capacidade da
máquina na execução de determinados serviços. Já a calibração direta
é aquela em que os erros lineares e angulares são observados diretamente na máquina avaliada. Tais técnicas são as mais comuns no meio
científico e junto aos fabricantes.
2
Ver ESTLER, W.T. Calibration and use of optical straightedges in
the metrology of precision machines, Optical Engineering, 24: 372379, 1985.
Dezembro • 2001
00_C&T18.book Page 47 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Fig. 1. Barra de furos.
OS ARTEFATOS NA
CALIBRAÇÃO DAS MM3Cs
Durante muitos anos, a medição de artefatos
unidimensionais, como blocos padrões, foi utilizada
como método prático para verificar o desempenho
de MM3Cs. Entretanto, já nos anos 80, houve a
expansão do uso de padrões passo a passo e das barras de esferas, sendo que essas últimas tornaram-se
um dos artefatos mais populares quando se trata de
verificação de erros em máquinas de medir a três
coordenadas. Tanto que, em 1982, outras variantes
de barras de esferas foram propostas, utilizando
suportes magnéticos: a barra de esferas magnética
fixa e a barra de esferas magnética telescópica. Essas
versões diminuem o tempo de verificação das
máquinas (Bryan, 1982).
Apesar do sucesso inicial das barras de esferas
magnéticas, hoje elas são menos utilizadas, devido
ao uso limitado de algumas de suas características.
O desenho de barras de esferas mais difundido e
usado atualmente é o sistema de barras de esferas
livres, que pode ser utilizado com qualquer tipo de
sistema de sondagem (Phillips, 1993).
Uma outra variante de barras de esferas possui
um interferômetro a laser, que monitora a distância
entre os centros das esferas. Seus criadores afirmam
que, com a ajuda do artefato, podem-se obter os
erros de posição para todo o volume de trabalho de
forma muito rápida. Além disso, essas barras permitem a determinação dos erros geométricos (Ziegerth & Mize, 1994).
Atualmente, uma grande tendência na avaliação do desempenho e determinação dos erros geométricos de MM3Cs é o uso de padrões
bidimensionais, como o padrão placa de esferas e
placa de furos. Porém, o elevado custo de construção e calibração e a duração dos ensaios são aspecREVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 45-53
tos negativos do uso desses artefatos, e estimulam
usuários de MM3Cs a continuar utilizando barras
de esferas e padrões passo a passo. As mesmas restrições de uso podem ser atribuídas aos padrões tridimensionais, como os padrões volumétricos
tetraédricos (Peggs, 1990).
Resumindo, os artefatos utilizados na avaliação do desempenho de MM3Cs possuem as mais
diversas formas, desde as mais simples, como blocos
e barras padrões, até estruturas volumétricas complicadas, construídas à base de múltiplas barras e
esferas. Todos esses artefatos foram criados devido
ao interesse de pesquisadores e fabricantes em
desenvolver um sistema eficaz e de baixo custo para
a calibração de MM3Cs.
Outro fator importante quanto aos artefatos
de referência que deve ser considerado é o custo, no
que diz respeito à fabricação, calibração, manutenção e à própria aplicação. Além disso, a maioria dos
artefatos foi projetada para verificações qualitativas
por parte dos usuários, tornando complicada a realização de uma avaliação detalhada das máquinas.
Assim, pode-se dizer que ainda existe a necessidade de pesquisas envolvendo o desenvolvimento
de artefatos para calibração de MM3Cs e que permitam a realização dessa atividade com baixo custo,
em curto espaço de tempo e facilidade de obtenção
dos erros geométricos – além de considerar aspectos
fundamentais, como a influência dos sistemas de
sondagem e compensação e a estratégia de medição
– a fim de que essa atividade seja cada vez mais
acessível aos usuários desses equipamentos.
METODOLOGIA
A metodologia utilizada na calibração das
componentes do erro volumétrico de MM3Cs
pode ser dividida em duas partes: o procedimento
47
00_C&T18.book Page 48 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
experimental utilizado e o modelo matemático para
separação de erros. Além disso, será demonstrado
simultaneamente como a rastreabilidade pode ser
conseguida.
Fig. 2. Ilustração das posições normal e reversa.
Procedimento Experimental
O procedimento experimental é simples e
consiste na medição das distâncias entre os centros
dos furos. Entretanto, alguns passos devem ser
seguidos:
1) pré-calibrar a distância entre os centros dos
furos extremos. Determinar o valor verdadeiro da distância (Mcbarra ) entre o primeiro e último furo;
2) numerar os furos da barra a partir de 1 até
n, onde n é o número de furos;
3) posicionar a barra paralelamente à escala a
ser calibrada. Colocar o sistema de referência da máquina no centro do furo 1. Essa
posição será denominada normal;
4) medir as distâncias entre furos consecutii
) = distância entre o cenvos. Fazer (MN
tro do furo i e (i+1) na posição normal
para i =1 a n-1;
5) girar a barra 1800 sobre o plano normal ao
eixo de medição, alinhando a reta que
passa pelo primeiro e último furo com o
eixo a ser calibrado. Colocar o sistema de
referência no centro do furo n. Essa posição será denominada reversa;
6) medir as distâncias entre furos consecutivos. Fazer (MRi ) = distância entre o centro
do furo (i+1) e i na posição reversa para i
=1 a n-1.
A figura 2 apresenta uma ilustração das posições de medição.
MODELO MATEMÁTICO
O erro [em] que uma máquina comete ao
determinar a medida [M] de uma distância qualquer
entre centros de dois furos pode ser escrito como:
em = M – medida verdadeira da distância
48
(1).
Considerando que a distância não tenha sido
pré-calibrada, o valor tido como sua medida verdadeira é, então, desconhecido. Entretanto, pode-se
escrevê-lo como o valor da distância especificada no
projeto [VN] mais o erro da fabricação da barra [ef].
Portanto, a equação 1 pode ser reescrita como:
em = Mcbarra – (VN + efc)
(2).
Rearranjando os termos de (2), tem-se:
Mcbarra – VN = em + efc
(3).
Observe-se que as distâncias especificadas no
projeto e o erro de fabricação da barra não variam
com a mudança da posição normal para a reversa,
pois são características de cada distância entre furos
consecutivos. Então, pode-se reescrever a equação
(3) para cada uma das posições:
• para a posição normal
i
MN
-VNi = efi + emi
para i = 1 a (n-1)
(4),
onde:
n = número de furos;
emi = erro que a máquina comete ao medir a distância entre os furos i e (i+1);
efi = erro de fabricação da barra entre os furos i e
(i+1);
VNi = valor nominal da distância entre os furos i e
(i+1).
Dezembro • 2001
00_C&T18.book Page 49 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
último furo e, portanto, possui uma incerteza
definida;
u
M
• para a posição reversa
(n–1)
C
barra
MN -VN(n-i) = ef(n-i) + emi para i = (n-1) a 1(5).
Considerando que n é um número ímpar,3
pode-se fazer:
• para a posição normal
(n – 1) ⁄ 2
∑
∑
i
1
∑
ef i +
(n – 1)
∑
( M N – VN i ) =
i
[(n—1)/2+1
em i
(6)
em i
(7)
1
1
(n – 1)
(n – 1)
∑
∑
ef i +
[(n—1)/2]+1
[(n—1)/2]—1
• para a posição reversa
[ ( n – 1 )/2 + 1)
∑
(n – 1) ⁄ 2
[ ( n – 1 )/2 ] + 1
∑
( M N – VN i ) =
i
(n – 1)
 δef C  2
- u C =
 ------------------ δM C
 Mbarra
barra
1 a n 2
u
1 a n
ef c
=
u
2
C
M barra
= u
C
M barra
(12),
(n – 1) ⁄ 2
(n – 1) ⁄ 2
( M N – VN i ) =
tem-se que:
ef i +
(n – 1)
∑
em i
(8)
Como a incerteza de ef 1C a n pôde ser
expressa e seu valor foi obtido através de uma
cadeia contínua de medições pela definição de rastreabilidade, pode-se dizer que trata-se de um valor
rastreado até a unidade padrão de comprimento.
Somando as equações 6 e 8, tem-se como
resultado a equação (13) a seguir:
De (10) e (13), pode-se escrever:
Observe-se que é possível calcular o valor de
(n – 1) ⁄ 2
∑
1
em i
e que esse valor é rastreável até a unidade
1
fundamental. A justificativa para essa afirmação
1
∑
( M N – VN i ) =
i
(n – 1) ⁄ 2
∑
reside no fato de que todas as grandezas de entrada4
(n – 1)
1
ef i +
(n – 1) ⁄ 2
∑
em i
(9).
[ ( n – 1 )/2 ] + 1
têm incerteza definida, e, por meio da aplicação da
Lei de Propagação de Incertezas, é possível expres(n – 1) ⁄ 2
Sabendo que
sar a incerteza de
∑
em i .
1
n–1
1 a n
ef C
=
∑ efi
n–1
∑ VNi –
=
i=1
c
MC barra
(10).
Somando as equações 7 e 9, a equação 15
obtém a seguinte expressão:
i=1
a incerteza de ef 1C a n pode ser definida através dos requisitos propostos pelo Guia para a
Determinação das Incertezas de Medição (1996)
como:
(n – 2) ⁄ 2
∑
[(n—2)/2+1)
( M N – VN i ) +
i
∑
u
1 a n
ef c
=


 δef C  2
- u C
+  ------------------ δM C
 Mbarra
barra
0 =
1 a n 2
∑
1
(11),
i
(13).
(n – 1)
1
[ ( n – 1 )/2 ] + 1
(n – 1) ⁄ 2
1 a n 2
 δef C  2
 -------------------- u VN
δVN
( M R – VN i ) = 0
( ef i + 2em i ) +
∑
ef i
(13).
(n – 1)
e que:
a
• os valores de VNi são constantes, portanto
n–1
derivada parcial de ef 1C em relação a ∑ VN é
i=1
zero;
•
C
é obtido através de medições repetidas na
pré-calibração da distância entre o primeiro e
M barra
3
O modelo matemático também é válido para barras com número
par de furos, e o procedimento de cálculo é semelhante. A diferença
reside no fato de não haver um furo central e, sim, uma distância central.
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 45-53
4
Ver definição no Guia para a Expressão das Incertezas de Medição
(1996).
49
00_C&T18.book Page 50 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
(n – 2) ⁄ 2
(n – 1) ⁄ 2
[(n—2)/2+1)
∑
∑
( M N – VN i ) +
i
( M R – VN i ) = – ef C
i
1 a n—1
= 2
(n – 1)
1
(n – 1)
∑
(n – 1)
1
i
( M R – VN i ) = – ef C
i
1 a n—1
Da mesma forma, observe-se que é possível
(n – 1)
∑
calcular o valor de
em i .
[ ( n – 1 ) ⁄ 2 ]+1
(n – 1) ⁄ 2
∑
Com os valores de
(n – 1)
∑
em i e
em i ,
[ ( n – 1 ) ⁄ 2 ]+1
1
e utilizando as equações 16 e 17, é possível calcular
(n – 1) ⁄ 2
os valores de
∑
(n – 1)
ef i
e
(n – 1) ⁄ 2
∑
(n – 1) ⁄ 2
( Mi – Vi ) =
∑
∑
1
(n – 1) ⁄ 2
ef i +
1
(n – 1)
∑
∑
[(n – 1) ⁄ 2 + 1]
em i
(16).
1
(n – 1)
( Mi – Vi ) =
∑
[(n – 1) ⁄ 2 + 1]
(n – 1)
ef i +
∑
em i (17).
[(n – 1) ⁄ 2 + 1]
Observe-se que as parcelas calculadas são rastreáveis até a unidade fundamental, o metro, pelas
mesmas razões anteriormente explicadas.
O erro de fabricação [ef] é o erro de posicionamento do centro de um furo i em relação ao centro de
um furo i-1. Portanto, cada efi possui um referencial
diferente. Assim, torna-se importante transladar todos
esses erros para um mesmo referencial. Esse processo
dá-se da seguinte forma: inicialmente, escreve-se o
erro da distância entre dois furos como função da
posição P. Do centro de cada furo a e b tem-se:
d = Pb – Pa
∑
(15).
em i
epb = erro de posicionamento do furo b com
relação a um referencial O;
Pa e Pb podem ser reescritos como:
Pa = Pideal
+ epa
a
(19)
+ epb
Pb = Pideal
b
(20).
Substituindo as equações 17 e 18 na equação
16, pode-se escrever:
ef i .
[ ( n – 1 ) ⁄ 2 ]+1
1
= 2
[ ( n – 1 ) ⁄ 2 ]+1
(n – 1) ⁄ 2
[(n — 1)/2 + 1
(14).
em i
1
∑
( M N – VN i ) +
∑
(18),
– Pideal
+ epb – epa
d = Pideal
b
a
(21)
onde:
Pideal
– Pideal
pode ser visto como o valor
b
a
nominal [VN] da distância entre os furos a e b.
Se VN = Pideal
– Pideal
e d = M – em, é possíb
a
vel escrever a equação (22) para cada distância
medida:
M – em – VN = epb – epa
(22)
ou
epb = M – VN – em + epa
.
A equação 22 pode ser generalizada e reescrita como:
• para a posição normal
epiN = [MiN – VNi] + epi – 1 – emi
(23)
• para a posição reversa
Pa
Pb
ideal
Pa
Pideal
b
epa
50
onde:
= posição absoluta do furo a;
= posição absoluta do furo b;
e sabendo que:
= posicionamento absoluto ideal do furo a;
= posicionamento absoluto ideal do furo b;
= erro de posicionamento do furo a com
relação a um referencial O;
epiR = [MiR – VNi] + epi – 1 – emi
(24).
Para a posição normal, pode-se escrever :
(n – 1) ⁄ 2
∑
i=1
(n – 1) ⁄ 2
i
ep N =
∑
i=1
(n – 1) ⁄ 2
( M N – VN i ) +
i
∑
1
(n – 1) ⁄ 2
ep i – 1 –
∑
em i (25),
1
Dezembro • 2001
00_C&T18.book Page 51 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Fig. 3. Resultados obtidos com o modelo proposto e com interferometria a laser.
substituindo-se na equação 25 os valores
encontrados através das equações 14, 15, 16 e 17.
O mesmo procedimento pode ser aplicado para: i
= [(n-1)/2]+1 a n.
Desde que o sistema de coordenadas de
referência tenha sido posicionado no centro do furo
1, o erro de posicionamento absoluto ep1 deste furo
é zero, isto é, ep1 = 0.
Usando um programa5 computacional de linguagem simbólica, o sistema de equação pode ser
resolvido.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Durante o procedimento de medição, a temperatura da sala onde está localizada a MM3C foi mantida constante em 20 ± 1oC. Cada distância entre
furos consecutivos foi medida 5 (cinco) vezes em
cada uma das posições (normal e reversa). Os dados
obtidos são as entradas para o modelo matemático.
A medição do erro de posicionamento utilizando o sistema interferométrico foi realizada para
fins de validação do modelo proposto. Para essa
medição, foi usado um interferômetro da marca HP
em conjunto com ópticas para medições lineares.
O gráfico da figura 3 apresenta uma comparação entre os resultados da calibração dos erros de
posicionamento do eixo com movimentação em Y
de uma MM3C, tipo ponte móvel, obtidos através
do modelo proposto e os obtidos utilizando um sistema interferométrico laser.
Pode-se observar na figura 3 que a maior diferença entre o valor medido e o calculado é de 0,6
µm na posição 50 mm. Isso demonstra que o
modelo apresentou-se eficaz na determinação dos
erros de posicionamento da MM3C.
As figuras 4 e 5 apresentam as incertezas relacionadas à calibração da MM3C. Os valores foram
obtidos utilizando os requisitos propostos pelo Guia
para Expressão da Incerteza de Medição (1996).
Fig. 4. Incerteza dos erros de posicionamento obtidos por meio do método proposto.
5
5
Exemplos: MatLab, Mathematica.
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 45-53
51
00_C&T18.book Page 52 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Fig. 5. Incerteza dos erros de posicionamento obtidos com interferometria a laser.
Comparando os gráficos das figuras 4 e 5,
pode-se observar que a incerteza dos erros obtidos
através do método proposto é, em média, maior do
que a dos erros obtidos com o uso do interferômetro laser. Isso ocorre pela introdução de novas variáveis, como sistema de sondagem, sistema de
compensação e estratégia de medição, que são fontes de incerteza não consideradas quando do uso do
interferômetro.
CONCLUSÕES
A vantagem do procedimento apresentado
em relação ao sistema interferométrico laser é considerar as influências do sistema de sondagem, do sistema de compensação da máquina, dos programas
computacionais e da estratégia de medição. Tais
influências são fundamentais para os usuários de
MMC, que têm, todos, as suas medições influenciadas por esses aspectos.
Quanto à facilidade de aplicação, o método
proposto utilizando a barra de furos é um método
simples para a determinação dos erros individuais,
se comparados aos utilizados na aplicação de artefatos como círculos padrão, barra de duas esferas.
Outras vantagens do método proposto que
podem ser citadas são:
• a barra de furos possui menor preço e maior disponibilidade que outros artefatos, pois pode ser
fabricada sem cuidados excessivos;
• o método proposto pode ser aplicado, também,
junto com artefatos como as barras de esferas
múltiplas e os padrões passo a passo;
• a calibração pelo método proposto necessita de
um tempo relativamente pequeno para ser realizada, minimizando, assim, as influências de possíveis variações da temperatura ambiente;
• o procedimento permite que as componentes
do erro volumétrico sejam obtidas e rastreadas
pré-calibrando somente a distância entre os
furos extremos da barra, diminuindo, assim, o
custo da pré-calibração do artefato.
Devido a essas características, pode-se dizer
que o método atende às expectativas e é capaz de
satosfazer as necessidades tanto de usuários quanto
de fabricantes.
Agradecimentos
À Fundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
(Capes), pela concessão do auxílio, e ao
Laboratório de Metrologia do Departamento de Engenharia Mecânica da Escola
de Engenharia de São Carlos-USP, onde foi
desenvolvido o trabalho.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Engineering, 4: 61-69, 1982.
GUIA PARA A EXPRESSÃO DA INCERTEZA DE MEDIÇÃO. Programa RH – Metrologia (apoio PADCT – TIB). Rio de
Janeiro, 1996
52
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HARVIE, A. Factors affecting component measurement on coordinate measuring machines. Precision Engineering, 8: 13-18,
1986.
KNAPP, W.; TSCHUDI, U. & BUCHER, A. Comparison of different artefacts for interim coordinate measuring machine checking: a report from the Swiss Standards Committee. Precision Engineering, 13: 277-291, 1991.
KUNZMANN, H.; TRAPET, E. & WÄLDELE, F. A uniform concept for calibration acceptance test and periodic inspection of
coordinate measuring machines using reference objects. Annals of the CIRP, 39 (1): 561-564, 1990.
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SWYT, D.A. The International Standard of Lenght. In: BOSCH, J.A. Coordinate Measuring Machines and Systems. New York:
Marcel Dekker Inc., 1995.
ZIEGERT, J.C. & MIZE, C.D. The Laser Ball Bar: a new instrument for machine tool metrology. Precision Engineering, 16:
259-267, 1994.
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 45-53
53
00_C&T18.book Page 54 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
54
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Modelo Estatístico para
o Erro Volumétrico
na Medição por
Coordenadas
Statistical Model for Volumetric Error on Coordinate Measurement
BENEDITO DI GIACOMO
Escola de Engenharia de São Carlos-Universidade de São Paulo
[email protected]
ROSENDA VALDÉS ARENCIBIA
Escola de Engenharia de São Carlos-Universidade de São Paulo
[email protected]
VAGNER AUGUSTO DE SOUZA
Departamento de Produção-Tecumseh do Brasil Ltda.
[email protected]
RESUMO – O presente trabalho tem por objetivo a determinação de equações matemáticas que descrevam o comportamento das componentes do erro volumétrico em Máquinas de Medir a Três Coordenadas (MM3Cs). Dessa forma, é
apresentada uma metodologia geral, utilizando técnicas de regressão múltipla. Tal metodologia, aplicada a uma MM3C
do tipo Ponte Móvel, permitiu obter, de forma simples, três equações de regressão a partir de dados levantados através da
calibração direta, especificamente o método do volume dividido. O modelo proposto foi avaliado estatística e experimentalmente. A avaliação estatística abrange o cálculo do coeficiente de correlação amostral, uma análise dos resíduos e a
verificação de hipóteses. A avaliação experimental foi realizada por meio da comparação dos resultados previstos pelo
modelo com os resultados obtidos a partir da medição de uma barra de esferas. A partir dos resultados, pode-se constatar
a adequabilidade do modelo proposto e a sua excelente capacidade de previsão do erro volumétrico da máquina.
Palavras-chave: EQUAÇÕES DE REGRESSÃO – CALIBRAÇÃO – BARRA DE ESFERAS.
ABSTRACT – The work here presented has as objective the determination of the mathematical equations, which describes
the behavior of the volumetric errors components of a Three Coordinate Measuring Machine (3CMM). It is shown a
general method using multiple regression technique. The application of the method to a “Moving Bridge” 3CMM, permitted to obtain in a very simple way all three regression equations from data collected through a direct calibration procedure, specifically the grid calibration method. The proposed model was evaluated statistically and experimentally. The
statistical evaluation covered the calculation of the correlation coefficient, residual analyze and hypothesis verification.
The experimental evaluation was made through the comparison of results from the proposed method and results
obtained from a ball bar calibration procedure. From the results of the comparison one can say that the model is adequate and it has an excellent capacity of forecasting volumetric errors components.
Keywords: REGRESSION EQUATIONS – CALIBRATION – BOLL BAR.
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 55-66
55
00_C&T18.book Page 56 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
INTRODUÇÃO
A
s Máquinas de Medir a Três Coordenadas
(MM3Cs) são os instrumentos metrológicos
encarregados de satisfazer as necessidades
apresentadas pela indústria moderna. Elas apresentam simplicidade de operação, flexibilidade, acuracidade e permitem a medição de estruturas
complexas com extrema rapidez e precisão, assim
como o controle simultâneo de diversas características metrológicas de uma peça (Kunzmann, 1988).
Pode-se dizer que essas máquinas revolucionaram a
metrologia dimensional.
No entanto, o desempenho das MM3Cs fica
limitado devido à presença dos braços de Abbé, à
dificuldade de montagem de três eixos teoricamente
ortogonais e às imperfeições decorrentes dos processos de usinagem que se apresentam nos diversos
elementos mecânicos que compõem o sistema.
Esses fatores atuam de maneira conjunta, combinando-se de forma complexa por todo o volume de
trabalho da máquina, gerando os denominados
erros volumétricos. Toda leitura, então resultado de
uma medição, estará sempre sujeita a erros, sendo
necessário o desenvolvimento de metodologias para
que eles sejam minimizados e seja possível, assim,
alcançar um melhor desempenho.
O objetivo do presente trabalho é equacionar
as componentes do erro volumétrico de uma
MM3C do tipo Ponte Móvel através das técnicas de
regressão múltipla. Tal equacionamento permite
prever o erro volumétrico em um ponto qualquer
do volume de trabalho da máquina.
impossível a obtenção das coordenadas verdadeiras
ou reais dos pontos, porque muitos fatores interferem no processo de medição.
Para determinar a relação entrada-saída do sistema Máquina de Medir, deve-se definir e classificar
as variáveis envolvidas no processo de medição,
sendo que, para isso, é necessário efetuar uma análise preliminar da mesma. Dessa análise, tem-se que
as coordenadas dos pontos podem ser consideradas
como sendo as entradas desejadas do sistema, ou
entradas preliminares. Cada uma dessas coordenadas pode ter a influência de muitos dos 21 erros
geométricos que afetam o resultado de uma medição. Esses erros geométricos constituem o que se
pode chamar de entradas interferentes do sistema.
Também merece ser destacado que as entradas
modificantes – nesse caso, temperatura, umidade e
vibrações – são mantidas sob controle. Portanto,
não há necessidade de incluí-las no modelo.
A combinação dos erros geométricos num
ponto do espaço em cada uma das direções preferenciais é denominada componente do erro
volumétrico. Essas três componentes são consideradas saídas preliminares do sistema, tendo-se como
saída final o erro volumétrico propriamente dito.
Ficam assim definidas as entradas e saídas do sistema Máquina de Medir (fig. 1).
Fig. 1. Representação do sistema Máquina de Medir.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
E SISTEMA DE MEDIÇÃO
A estrutura da MM3C serve de suporte e permite o movimento de um sensor em três eixos ortogonais X, Y e Z, de comprimentos 457 x 610 x 381
mm, respectivamente. Essas dimensões são denominadas cursos de operação, e caracterizam a
Máquina de Medir em estudo como de pequenas
dimensões e peso moderado, quando comparada às
demais existentes.
A posição dos pontos das superfícies de peças
no espaço fica determinada por coordenadas X, Y e
Z. Qualquer MM3C é intencionalmente desenhada
para medir essas grandezas. No entanto, resulta
56
Observe-se que para a determinação da relação entrada-saída, o sistema Máquina de Medir
pode ser considerado como três subsistemas, cada
um com três entradas e uma saída.
Uma vez definidas as entradas e saídas do sistema, pode-se fazer uma classificação do mesmo.
Dezembro • 2001
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Segundo a teoria de controle exposta por Ogata
(1982), Ralph et al. (1972) e Harris (1996), o sistema Máquinas de Medir a Três Coordenadas do
tipo Ponte Móvel pode ser classificado como (Valdés
Arencibia, 1999):
• invariável no tempo: a grandeza do erro
volumétrico em qualquer instante de tempo
depende somente dos valores das coordenadas
X, Y e Z, e não do instante de tempo no qual as
coordenadas estão sendo medidas;
• contínuo com relação à posição: o erro volumétrico é uma função matemática contínua de três
variáveis; nesse caso, das coordenadas X, Y e Z
que definem a posição dos pontos de medição;
• quase-estático: a grandeza do erro volumétrico
em qualquer posição depende somente da posição presente, e não dos valores passados ou
futuros. Assim sendo, por hipótese, assume-se
que a memória do sistema MM3C Ponte Móvel
é nula;
• MISO: o sistema apresenta múltiplas entradas e
uma única saída.
Dada essa classificação, a relação entradasaída do sistema Máquina de Medir pode ser
expressa através de um modelo matemático que
descreve as componentes do erro volumétrico em
função da posição, representado no sistema de
equação 1.
volumétrico Ex, Ey, Ez, medidas através de um procedimento de calibração direta.
A utilização de uma equação de regressão
linear múltipla para cada um dos eixos coordenados
caracterizou a primeira tentativa na determinação
do modelo que relaciona as entradas e saída do sistema Máquina de Medir. Dessa forma, para o eixo
X, tem-se:
E Xi = β X0 + β X1 X i' + β X2 Y i + β X3 Z i + ε Xi
(3),
onde:
E Xi é a componente do erro volumétrico na
direção X, em micrômetros para as diferentes posições;
β X0, β X1, β X2, β X3 são os coeficientes da regressão;
Xi, Yi, Zi são as coordenadas do ponto i, em
milímetros para i=1, 2, ..., n;
ε Xi são os resíduos da regressão.
A equação 3 é denominada equação de regressão linear múltipla por apresentar múltiplas variáveis
independentes. Os estimadores de mínimos quadrados são determinados de forma tal que a soma dos
quadrados dos resíduos seja minimizada, isto é:
n

2
d
εx 
 i = 1 i
d ( S ( β X0, β X1, β X2, β X3 ) )
------------------------ = -------------------------------------------------------------- = 0
dx i
dx i
∑
Ex = ƒ1(x,y,z)
Ey = ƒ2(x,y,z)
(1)
Ez = ƒ3(x,y,z)
Conhecidas as componentes Ex, Ey e Ez, o
erro volumétrico pode ser calculado pela equação 2:
Ev = Ex + Ey + Ez
n

2
d
( E Xi – β X0 – β X1 X i – β X2 Y i – β x3 Z i ) 
i = 1

0 = --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- = 0 (4).
dx i
∑
Nesse caso, resulta conveniente escrever a
regressão múltipla na forma vetorial (equação 5):
(2)
E X = Hβ + ε X
(5),
EQUACIONAMENTO MATEMÁTICO
E X1
;
Ex=
0 0 0 0
1 Xn Yn Zn
β X0
β
β X1
β X2
β X3
E X2
…
º
onde:
1 X2 Y2 Z2
;
0
E Xn
ε X1
;
e
ε Xi =
ε X2
.
…
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 55-66
1 X1 Y1 Z1
…
…
…
…
Box et al. (1978), Draper & Smith (1981),
Hoffmann & Vieira (1977) e Achcar (1993) falam
das possibilidades que as técnicas de regressão oferecem para a determinação da relação existente entre
as variáveis envolvidas num determinado processo.
Dessa forma, utilizando técnicas de regressão, é possível determinar a relação existente entre as coordenadas dos pontos X, Y, Z e as componentes do erro
0
ε Xn
57
00_C&T18.book Page 58 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
As estimativas
coeficientes
de regressão
volumétrico.
foi utilizandoefetuada uma
As estimativas
dos dos
coeficientes
de regressão
na na tricoerro
na direção
do eixoInicialmente
X e os resíduos,
equação
5 podem
determinadas
utilizando
equação
5 podem
ser ser
determinadas
utilizando
o o se asanálise
equações
7 e 8, respectivamente:
da máquina
para definição do ponto onde
método
Mínimos
Quadrados.
tanto,
é pre- seria colocado o sistema de coordenadas de
método
dos dos
Mínimos
Quadrados.
ParaPara
tanto,
é pre= Hβ̂ X
(7) no
(HTseja
H) seja
matriz
invertível
(equação Eˆ X referência.
cisociso
queque
(HTH)
umauma
matriz
invertível
(equação
O sistema de referência foi colocado
6):
6):
ponto (0, 0, -260 mm) com relação ao zero da
ε̂ X = E X – Eˆ X = E X – Hβ̂ X
(8).
–1 T
máquina.
–
1
T
T
ˆ T
βˆX β=X( H= (HH) HH) EHX E X
(6). (6).
O volume
ser modelado
foi dividido
Numa
segundaatentativa,
o modelo
proposto por
retas paralelas
a cada
umtermos
dos eixos
Conhecidos
os valores
numéricos
coefici- em linhas
(3) foi melhorado,
incluindo
novos
inde- da
Conhecidos
os valores
numéricos
dos dos
coefici2
2
2 uma rede com um total de
entes
da
regressão,
é
possível,
então,
determinar
os
máquina,
formando
pendentes – X , Y , Z , XY, XZ e YZ –, gerando,
entes da regressão, é possível, então, determinar os
valores
previstos
da componente
do erro
volumé- assim,
147uma
geratrizes
(fig. 2). As posições de medida
nova equação:
valores
previstos
da componente
do erro
volumétrico na direção do eixo X e os resíduos, utilizando- foram definidas como sendo os pontos de interse2
2
2
equações
8,Yrespectivamente:
E Xi se
(9)
= as
β X0
+ β X1 X i +7βeX2
β X8 X i Z i + (Burdekin,
β X9 Y i Z i + ε Xi1977, e Di Giacomo,
i + β X3 Z i + β X4 X i + β X5 Y i + β X6 Z i + βção
X7 X das
i Y i +geratrizes
1986).
2
Eˆ XComo
= Hβ̂ X
pode ser notado, a equação 9 é não (7) como segue:
X=Z1, Y=Z
Z=Z
2, erro
3, X =Z4,
Cada
componente
do
volumétrico
pode
2
2
2
2
2
linear nas variáveis
X , Y , Z , XY, XZ e YZ. Assim,
Y =Z5,
Z =Z6,
XY=Z
XZ=Z
YZ=ZNo
. entanto,
ˆ
7,
8,
9
ser
medida
em
dois
planos
diferentes.
(8).
ε̂ X = E X – E X = E X – Hβ̂ X
considera-se
importante fazer uma transformação
Como
resultado
dessa transformação,
obtém-num
por
economia
de tempo,
elas foram medidas
nas variáveis
independentes,
com o objetivo
deproposto
faciNuma
segunda tentativa,
o modelo
se asóequação
10,
que
é
uma
equação
de
regressão
plano. Dessa forma, as componentes Ex, Ey e Ez
litarem
o cálculo
dos coeficientes
de regressão.
Nesseinde- linear múltipla, com nove variáveis independentes,
(3) foi melhorado,
incluindo
novos termos
foram
levantadas nos planos XZ, YZ e XY, respecti2
caso,
recomenda-se
substituição
pendentes
– X2, Ya2, Z
, XY, XZ edas
YZvariáveis
–, gerando, umavamente.
variável dependente e dez coeficientes de
assim, uma nova equação:
regressão:
2
2
2
E Xi = β X0 + β X1 X i + β X2 Y i + β X3 Z i + β X4 X i + β X5 Y i + β X6 Z i + β X7 X i Y i + β X8 X i Z i + β X9 Y i Z i + ε Xi
(9)
E Xi = β X0 + β X1 Z 1i + β X2 Z 2i + β X3 Z 3i + β X4 Z 4i + β X5 Z 5i + β X6 Z 6i + β X7 Z 7i + β X8 Z 8i + β X9 Z 9i + ε Xi
(10).
Como pode ser notado, a equação 9 é não Fig. 2. Representação esquemática do método do volume
2
2
De forma
similar,Xforam
as componentes Ex, Ey e Ez foram levanlinear
nas variáveis
, Y2, Zpropostas
, XY, XZ equações
e YZ. Assim, Dessa forma,
dividido.
tadas
nos
planos
XZ, YZ e XY, respectivamente.
de regressão
para
equacionar
as
componentes
do
considera-se importante fazer uma transformação
erronas
volumétrico
nas
direções
Y
e
Z.
variáveis independentes, com o objetivo de facilitar o cálculo dos coeficientes de regressão. Nesse Fig. 2. Representação esquemática do método do
volume dividido.
caso, recomenda-se a DAS
substituição das variáveis
LEVANTAMENTO
2
como segue: X=Z1,DO
Y=Z2, Z=Z3, X =Z4,
COMPONENTES
Y2=Z5,
Z2=Z6, XY=Z7, XZ=Z8, YZ=Z9.
ERRO
VOLUMÉTRICO
Como resultado
transformação,
obtémA calibração
direta dessa
da Máquina
de Medir
se ado
equação
10,doque
é uma
equação
de regressão
através
método
volume
dividido
permitiu
o
linear múltipla,
com novedas
variáveis
independentes,
levantamento
experimental
componentes
do
variável dependente
coeficientes
errouma
volumétrico.
Inicialmente efoidezefetuada
uma de
regressão:
análise da máquina para definição do ponto onde
seriaE Xi
colocado
sistema
coordenadas de referên= β X0 +oβ X1
Z 1i + βde
(10).
X2 Z 2i + β X3 Z 3i + β X4 Z 4i + β X5 Z 5i + β X6 Z 6i + β X7 Z 7i + β X8 Z 8i + β X9 Z 9i + ε Xi
cia. O sistema de referência foi colocado no ponto
forma
equações
O procedimento de calibração pelo método do
(0, 0, -260De
mm)
comsimilar,
relaçãoforam
ao zeropropostas
da máquina.
deOregressão
para
equacionar
as
componentes
do
volume
dividido permite a medição direta das compovolume a ser modelado foi dividido por
erro
volumétrico
nas
direções
Y
e
Z.
nentes
do
erro volumétrico Ex, Ey e Ez. Esses erros
linhas retas paralelas a cada um dos eixos da
são
medidos
ao longo das geratrizes, utilizando o
máquina, formando uma rede com um total de 147
interferômetro
laser. O processo de medição foi passo
LEVANTAMENTO
geratrizes
(fig. 2). As posições deDAS
medida foram defia
passo
e
o
procedimento
de coleta de dados foi autoCOMPONENTES
DO
nidas
como sendo os pontos de
interseção das geramatizado. Os resultados dessas medições levam em
ERRO
VOLUMÉTRICO
trizes
(Burdekin,
1977, e Di Giacomo, 1986).
A calibração direta da Máquina de Medir consideração a influência de diversas fontes de erros,
Cada componente do erro volumétrico pode ser
através do método do volume dividido permitiu o entre elas, os braços de Abbé. Vale ressaltar que o
medida em dois planos diferentes. No entanto, por ecolevantamento experimental das componentes do
efeito do sistema de sondagem não está incluído.
nomia de tempo, elas foram medidas num só plano.
58
Dezembro • 2001
00_C&T18.book Page 59 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
O erro de posição é calculado como sendo a
diferença entre o valor indicado pela máquina e o
valor indicado pelo laser (equação 11), onde Eii
representa as componentes Ex, Ey ou Ez:
Eii = Erro de posição = Indicação da máq.
– Indicação do laser
(11).
Cada geratriz foi medida cinco vezes no sentido de ida e cinco vezes no sentido de volta. Sabe-se
que, devido à influência dos erros de forma e posição
e à falta de ortogonalidade entre eixos, o valor do
erro no ponto inicial das geratrizes numa determinada direção não é igual a zero. Nesses pontos, os
erros assumem o valor zero devido a uma imposição
de ensaio, uma vez que o interferômetro deve ser
zerado antes do início de cada medição. Assim, para a
obtenção dos valores verdadeiros dos erros é necessário fazer uma correção do ponto inicial de cada uma
das geratrizes. Para tanto, efetuou-se a medição direta
dos fatores de correção para cada plano de calibração
(Voutsadopoulos, 1980, e Hocken, 1980).
Durante a medição, utilizou-se um esquadro
mecânico alinhado ao eixo dos erros que se desejava
corrigir e um apalpador do tipo LVDT colocado no
ponto de prova (fig. 3). Os valores de correção são
os valores lidos nos pontos onde as geratrizes atravessam o esquadro. Esses fatores de correção constituem uma somatória de erros de retilinidade,
angulares e de ortogonalidade.
Fig. 3. Posicionamento do esquadro e do apalpador
durante a medição.
RESULTADOS DA CALIBRACÃO
A partir dos dados resultados da calibração,
foram construídas as superfícies que descrevem o
comportamento das componentes do erro volumétrico para as três direções preferenciais da máquina.
Assim, as componentes Ex, Ey e Ez foram descritas
em função das coordenadas X, Y e Z. Na prática, é
impossível construir gráficos em quatro dimensões.
Por isso, foram construídos gráficos em três dimensões, mantendo-se constante uma das três coordenadas, obtendo-se desse modo as superfícies de
erros nos diferentes planos de medição.
As superfícies que mostram o comportamento
da componente do erro volumétrico na direção do
eixo X da MM3C estão dispostas na figura 4. Essa
componente foi medida em sete planos, definidos
por valores constantes da coordenada Y. Nos gráficos da figura 4, os valores da componente Ex oscilam entre -4 e 55 µm. O erro em cada um dos
planos medidos se apresenta de forma similar, com
uma tendência sensivelmente crescente na medida
em que os valores da coordenada Y aumentam.
Da mesma forma, foram construídas as superfícies de erros para as componentes Ey e Ez. Os
valores da componente Ey encontram-se no intervalo 3 até 226 µm e incrementam consideravelmente na medida em que os valores da coordenada
Z aumentam. A amplitude para todos os planos de
medição está na ordem de 40 µm.
Os valores da componente Ez do erro
volumétrico oscilam entre -10 e 17 µm e diminuem
à medida que os valores da coordenada Y aumentam. Esta componente apresenta um comportamento similar para todos os planos. Quando
comparada a componente na direção do eixo Z
com as componentes nas direções dos eixos X e Y,
pode-se notar que seu valor é muito menor.
Obtenção do Modelo
Cada medição foi repetida cinco vezes,
obtendo-se um conjunto de valores que permitiram
corrigir as curvas de erros Ex. De forma semelhante,
foram medidos os fatores de correção dos zeros e
corrigidas as curvas de erros Ey e Ez.
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 55-66
De posse dos dados da calibração das componentes do erro volumétrico, eles foram substituídos
no sistema de equações 10 e introduzidos num programa computacional (STATISTICA), com o objetivo de determinar os coeficientes das equações de
regressão.
59
00_C&T18.book Page 60 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Fig. 4. Superfícies da componente Ex nos diferentes planos de medição.
50 – 60 µm
50 – 60 µm
50 – 60 µm
50 – 60 µm
50 – 60 µm
50 – 60 µm
50 – 60 µm
a-) Ex no Plano XZ, Y = 50 mm
60
b-) Ex no Plano XZ, Y = 100 mm
d-) Ex no Plano XZ, Y = 200 mm
c-) Ex no Plano XZ, Y = 150 mm
e-) Ex no Plano XZ, Y = 250 mm
f-) Ex no Plano XZ, Y = 300 mm
g-) Ex no Plano XZ, Y = 350 mm
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00_C&T18.book Page 61 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 55-66
Resíduos (micrometros)
Resíduos (micrometros)
Valores Previstos (micrometros)
Valores previstos Valores
pela Regressão
vs. Resíduos de Regressão
Previstos (micrometros)
Valores previstos pela Regressão vs. Resíduos de Regressão
Resíduos (micrometros)
meiro O
passo
consiste
no cálculo
do coeficiente
modelo
proposto
foi avaliado
estatísticade
e
2
para
cada uma
das equações
correlação
amostral rA
experimentalmente.
avaliação
estatística
abrange
de
regressão
Os coeficientes
de correlação
o cálculo
dosobtidas.
coeficientes
de correlação
amostral,
uma análise
dos
a verificação
de hipótecalculados
são
deresíduos
99,19%,e 99,93%
e 98,15%
para
ses.
A
avaliação
experimental
foi
realizada
através
as equações que descrevem as componentes do erro
da comparação
dos dos
resultados
pelo
volumétrico
na direção
eixos X, previstos
Y e Z, respectimodelo com
obtidosque
a partir
medição de uma
vamente.
Issoossignifica
umadaporcentagem
alta
barra
de
esferas
em
algumas
das
posições
e
orientada variabilidade de cada uma das componentes do
ções no
volume deé trabalho
da pelas
máquina
sugeridas
erro
volumétrico
explicada
equações
de
pela norma (ANSI/ASME B89.4.1, 1995).
regressão obtidas, indicando que os modelos propostos
são adequados
para os do
dados
analisados.
Avaliação
Estatística
Modelo
Na
avaliação
estatística
do dos
modelo,
o priA
avaliação
estatística
através
resíduos
inimeiro
passo
consiste
no
cálculo
do
coeficiente
de
cia com a análise dos gráficos dos valores previstos
2
correlação
amostral
r
para
cada
uma
das
equações
das componentes do erro volumétrico em função
de regressão
obtidas.
Os coeficientes
de correlação
dos
resíduos de
regressão
(fig. 5).
Valores previstos pela Regressão vs. Resíduos de Regressão
Resíduos (micrometros)
Avaliação
Estatística
do Modelo
AVALIAÇÃO
DO
Na
avaliação
estatística
do modelo, o priMODELO PROPOSTO
Resíduos (micrometros)
Resíduos (micrometros)
calculados
de 99,19%,
e 98,15% para
Para determinar
determinar os valores dos coeficientes de
Para
nas
direçõessão
preferenciais
X,99,93%
Y e Z, respectivamente.
asseguir,
equações
que
descrevem
asde
componentes
regressão nessas
nessas equações, foi testada a significância
regressão
A
estão
essas
equações
regressão. do erro
volumétrico
dos eixos
X, Y e Z, respectide cada
cada um deles. Assim, somente foram calculados
de
Obtidasnaasdireção
equações,
comprovou-se
que os
vamente.
significa queEx,
uma
alta da
os coeficientes
coeficientes das variáveis independentes que
os
valores
dasIsso
componentes
Eyporcentagem
e Ez não assumiam
variabilidade
de
cada
uma
das
componentes
do
erro
estão
altamente
correlacionadas
com
a
resposta
ou
estão altamente
o valor zero para as coordenadas X = Y = Z =
0
volumétrico
é
explicada
pelas
equações
de
regressão
variável
dependente.
O
procedimento
utilizado
variável
devido ao método de cálculo utilizado. Isso contraobtidas,
indicando
que osem
modelos
propostos
são
para selecionar
selecionar as variáveis significativas na regrespara
ria
a hipóteses
de partida,
que essas
componenadequados
paravalores
os dados
analisados.
são foi
foi o chamado stepwise (Draper & Smith,
são
tes
teriam seus
iguais
a zero no ponto zero
A avaliação
estatística
através
dos resíduos
ini1966).Dessa
Dessaforma,
forma,com
comum
um0.95
0.9595%
95%dedeconfiabiconfia1966).
da máquina.
Assim,
a regressão
foi trasladada
para
a
cia com Em
a análise
dos gráficos
dos valores
previstos
bilidade,
foram
obtidas
equaçõesque
quedescrevem
descrevema
lidade,
foram
obtidas
asasequações
origem.
conseqüência,
os valores
dos coeficiendasβcomponentes
dodeerro
volumétrico
em função
a relação
entrada-saída
do sistema
máquina
de
relação
entrada-saída
do sistema
máquina
de medir
tes
regressão
que descrevem
as
0 nas equações
dos resíduos de
(fig. 5). são iguais a zero:
medir nas direções preferenciais X, Y e Z, respecticomponentes
doregressão
erro volumétrico
vamente.
A seguir,
estão essas+equações
de 2regresEx
= 0,0875*Z
- 0,03428*Y
0,00003*X
+ 0,00006Z2 + 0,00031*Y2 - 0,00015*XZ
são.
Fig. 5.2 - 0,00005*YX
Gráfico dos resíduos em função dos valores previstos.
(13)
Ey = 0,08204*X - 0,70775*Z + 0,00011*Y2 + 0,00011*Z
Obtidas
as
equações,
comprovou-se
que
os
2 Valores previstos pela
vs. Resíduos de Regressão
Ez = 0,10429*Z - 0,06733*X + 0,01186*Y + 0,00015*Z - 0,00008*Y2 - Regressão
0,00002*ZX
valores das componentes Ex, Ey e Ez não assumiam o valor zero para as coordenadas X = Y = Z
Fig. 5. Gráfico dos resíduos em função dos valores previstos.
AVALIAÇÃO
DO
= 0 devido ao método de cálculo utilizado. Isso
Valores previstos pela Regressão vs. Resíduos de Regressão
MODELO
PROPOSTO
contraria a hipóteses de partida, em que essas comO modelo proposto foi avaliado estatística e
ponentes teriam seus valores iguais a zero no ponto
experimentalmente. A avaliação estatística abrange
zero da máquina. Assim, a regressão foi trasladada
o cálculo dos coeficientes de correlação amostral,
para a origem. Em conseqüência, os valores dos
uma
análise β
dosnas
resíduos
e a de
verificação
hipótecoeficientes
equações
regressãodeque
desValores Previstos (mm)
0
ses.
A avaliação
experimental
foi realizada
através
crevem
as componentes
do erro
volumétrico
são
da
comparação
dos resultados previstos pelo
iguais
a zero:
modelo com os obtidos a partir da medição de
uma
Ex = 0,0875*Z - 0,03428*Y + 0,00003*X2 + 0,00006Z2 + 0,00031*Y2 - 0,00015*XZ
barra de esferas em algumas das posições e orientaValores Previstos (mm)
Ey = 0,08204*X - 0,70775*Z + 0,00011*Y2 + 0,00011*Z2 - 0,00005*YX
(13)
ções no volume de trabalho da máquina sugeridas
Valores
previstos
pela
Regressão vs. Resíduos de Regressão
Ez = 0,10429*Z - 0,06733*X + 0,01186*Y + 0,00015*Z2 - 0,00008*Y2 - 0,00002*ZX
pela norma (ANSI/ASME B89.4.1, 1995).
Valores Previstos (micrometros)
Valores Previstos (micrometros)
61
00_C&T18.book Page 62 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Fig. 6. Gráfico dos resíduos da equação de regressão da componente Ex.
Pela figura 5, observa-se que os valores dos
resíduos estão distribuídos aleatoriamente em torno
de zero, em todos os casos. Isso indica que a especificação é apropriada. Pode-se ainda observar que os
resíduos encontram-se no intervalo ± 4 µm, ± 4 µm
e ± 2 µm, respectivamente.
Observou-se um bom comportamento dos
resíduos na ordem temporal, isto é, eles estão distribuídos aleatoriamente em torno de zero, sem
nenhuma tendência. Isso indica que os experimentos foram realizados adequadamente, ou seja, as
componentes do erro volumétrico foram levantadas
corretamente. Pode-se concluir que não foram
cometidos erros experimentais, como manipulação
incorreta da instrumentação, as condições de ensaio
não sofreram grandes variações etc.
Na figura 6, estão os gráficos dos resíduos em
função de cada uma das variáveis independentes
62
que formam a equação de regressão da componente
do erro volumétrico para a direção X.
Nos gráficos, observam-se vários níveis definidos por valores constantes das variáveis X, Y e Z.
Esses valores representam cada uma das geratrizes
de medição. No caso específico da componente Ex
do erro volumétrico, tem-se 13 x 7 x 7, níveis das
variáveis X, Y e Z, respectivamente. A variável X
assume valores entre 0 (zero) e 300 mm com espaçamento de 25 mm, a variável Y assume valores entre
50 e 350 mm com espaçamento de 50 mm, enquanto
os valores da variável Z oscilam entre -35 e -235
mm com espaçamento de 50 mm, e entre -10 mm e
-260 mm.
Na figura 6, pode-se observar que os resíduos
estão distribuídos aleatoriamente em torno de zero,
para todas as variáveis independentes. Isso confirma
que a especificação é apropriada.
Dezembro • 2001
00_C&T18.book Page 63 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Da mesma forma foram construídos os gráficos dos resíduos em função das variáveis independentes para as equações de regressão das
componentes Ey e Ez. Os resultados foram similares, e por isso não estão aqui apresentados.
Além das análises apresentadas anteriormente, foram efetuados testes de normalidade para
os resíduos utilizando-se gráficos de probabilidade
normal. Na figura 7, pode-se observar que quase a
totalidade dos valores dos resíduos, da equação que
descreve a componente Ex, encontram-se sobre a
reta teórica. Dessa maneira, a hipótese de normalidade da distribuição não pode ser rejeitada.
Fig. 7. Gráficos de probabilidade normal dos resíduos.
Valor Normal Esperado
Gráfico de Probabilidade Normal dos Resíduos
Resíduos (micrometros)
Para os resíduos das equações de regressão
que descrevem as componentes Ey e Ez, também foi
efetuado o teste de normalidade. Observou-se que
alguns valores dos resíduos apresentavam pequenos
desvios em relação à reta teórica. No entanto, podese aceitar a normalidade da distribuição dos resíduos. Pelo fato de eles se encontrarem numa região
de baixa probabilidade, sua probabilidade de
ocorrência é muito pequena.
Foram, ainda, construídos os histogramas
para cada um dos conjuntos de resíduos, confirmando-se que eles apresentam uma distribuição
aproximadamente normal, com média quase igual a
zero para todos os casos e desvio padrão de 0,99
µm, 1,73 µm e 0,76 µm, respectivamente. O nível
de confiança utilizado foi de 95%.
Concluindo, os resíduos gerados a partir das
equações de regressão que descrevem as componentes do erro volumétrico gerados no volume de trabalho da máquina nas direções preferenciais de
movimento apresentam uma distribuição normal de
probabilidades. Pelo exposto anteriormente, as
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 55-66
equações de regressão obtidas são consideradas adequadas para descrever o comportamento das componentes do erro volumétrico da máquina de medir
a três coordenadas analisada.
Verificação Experimental
do Modelo Proposto
Outra verificação do modelo proposto foi efetuada por meio da comparação dos resultados previstos e os obtidos pela medição de uma barra de
esferas em diferentes posições, tomadas a partir da
sugestão da norma (ANSI/ASME B89.4.1, 1995). A
norma especifica a medição de uma barra de esferas
não calibrada em 20 posições e orientações diferentes no volume de trabalho da máquina. Decidiu-se
utilizar uma barra de esferas com comprimento
nominal conhecido para o levantamento dos dados
necessários. Realizaram-se testes em 12 das 20 posições recomendadas pela norma. Os posicionamentos selecionados da barra foram paralelos às
direções dos eixos, nas diagonais dos planos XY, XZ
e YZ e nas diagonais volumétricas.
A medição da barra de esferas consiste na
determinação da distância entre os centros das esferas da barra. Envolve a medição dos diâmetros das
esferas, o cálculo de seus centros e a distância entre
eles. À distância entre os centros da barra, convencionou-se chamar de comprimento da barra. Para as
distintas posições, as esferas foram medidas cinco
vezes e coletadas as coordenadas X, Y e Z dos pontos de medição. É requisito indispensável que as
coordenadas desses pontos sejam linearmente independentes.
A partir dos pontos coordenados coletados e a
equação da esfera, aplicou-se o método dos Mínimos Quadrados. Foram calculadas as coordenadas
dos centros das esferas e suas respectivas médias em
cada posição. Em seguida, calculou-se o comprimento da barra com erros (DBE).
Os erros volumétricos nos pontos pertencentes ao volume de trabalho da máquina podem apresentar direções diferentes entre si e diferentes da
direção de medição da barra. Portanto, antes do cálculo do comprimento real da barra, os erros
volumétricos devem ser projetados na direção de
medição, ou seja, na direção da barra.
O comprimento real da barra (DBR) é calculado como a diferença entre o comprimento
63
00_C&T18.book Page 64 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
medido (DBE) e a diferença da projeção dos erros
volumétricos (PEB) na direção da barra:
DBR = DBE – PEB
(14)
PEB = EB1 – EB2
Para isso, por meio das equações de regressão
obtidas, os valores numéricos das componentes do
erro volumétrico foram sintetizados. Através de um
programa computacional, os centros das esferas
foram calculados, assim como seus respectivos erros
volumétricos. De posse desses valores, procedeu-se
à projeção dos mesmos na direção de medição. Para
tanto, foram calculados os cossenos diretores que
definem a orientação da barra dentro do volume de
trabalho da máquina.
As projeções da barra nas direções preferenciais são determinadas a partir das coordenadas dos
centros das esferas 1 e 2: DBEx = X2 – X1; DBEy =
Y2 – Y1; DBEz = Z2 – Z1
Os ângulos que definem a posição da barra
com as direções OX, OY e OZ são designados por
α, β e γ. Assim sendo, os cossenos diretores podem
ser calculados como:
cosα = DBEx/DBM
cosβ = DBEy/DBM
cosγ = DBEz/DBM
Com isso, calculam-se as projeções das componentes do erro volumétrico Ex, Ey e Ez na direção da barra, denotadas por EBx, EBy e EBz, usando
as expressões 15, 16 e 17, respectivamente:
EBx = EXcosα
(15)
EBy = EYcosβ
(16)
EBz = EZcos
(17).
Portanto, a projeção do erro volumétrico na
direção da barra (EBn) para os pontos centros das
esferas 1 e 2, respectivamente, é dado por:
EB1 = EBx1 + EBy1 + EBz1
EB2 = EBx2 + EBy2 + EBz2,
64
enquanto o erro cometido durante a medição é a
diferença das projeções dos erros volumétricos,
denotada por PEB:
(18).
Finalmente, o valor do erro volumétrico
(PEB) calculado é corrigido do comprimento da
barra com erro (DBE), obtendo-se o comprimento
real (DBR):
DBR = DBE – PEB
(19).
Para a avaliação da eficácia do modelo proposto para previsão do erro volumétrico, é preciso
que seja determinada a diferença entre os valores
dos comprimentos calculados e o comprimento
padrão (DP). O comprimento padrão da barra de
esferas pode ser determinado através de um procedimento de calibração. Para tanto, foi utilizada uma
máquina universal de medir, fabricada pela Societé
Genevoise d’Instruments de Physique (SIP), tipo
302 M, cuja resolução e incerteza são 0,1 µm e ±
0,1 µm, respectivamente. Tanto a distância entre as
extremidades das esferas quanto seus diâmetros
foram medidos nove vezes. Os valores das médias e
dos desvios padrões foram calculados e usados para
determinação do comprimento padrão da barra de
esferas. Como resultado, tem-se que o comprimento ou dimensão padrão da barra é de 197,486 ±
0,001 mm, com 99,7% de confiabilidade. De posse
do comprimento real da barra (DBR) e do comprimento padrão (DBP), calcula-se a diferença entre
esses valores pela equação 20. Essa diferença é
denominada erro residual.
Erro Residual = DBR – DBP
(20)
A partir de uma análise da figura 8, tem-se
que, nas posições 1, 2, 3, 4 e 6, correspondentes a
diagonais nos planos XY, XZ e YZ, os valores do erro
residual, em módulo, não ultrapassam 5 µm. Esses
resultados podem ser considerados adequados. As
posições 8, 9 e 10, correspondentes a diagonais
volumétricas, apresentam valores de erros residuais
que atingem até 7 µm, na posição 8. Esses valores
são maiores que os esperados. Nas posições 11, 16,
17 e 18, correspondentes às direções preferenciais,
apresentam valores de erros residuais adequados, à
exceção da posição 17, cujo erro residual é de 9 µm.
Dezembro • 2001
00_C&T18.book Page 65 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Fig. 8. Resultados da avaliação experimental.
Também foram calculadas algumas estatísticas
para caracterizar essa distribuição, como a média, o
desvio padrão e os coeficientes de kurtosis e skewness, cujos valores são, respectivamente, 0,94 µm,
4,12 µm, 0,75 µm e 0,01 µm.
CONCLUSÕES
Sabendo que o erro volumétrico na direção Y
pode atingir valores de até 240 µm, o valor de 9 µm
na posição 17 pode ser considerado bom, pois
representa 3,75% do erro máximo nessa direção. O
mesmo acontece com o valor de 7 µm na posição 8,
que corresponde a uma das diagonais do volume
com sentido de movimentação positivo para o eixo
X e negativo para os eixos Y e Z. O fato de se obter
valores de erros residuais fora do intervalo ± 6 µm
pode ser explicado pela ausência do efeito do sistema de sondagem. Durante a coleta dos dados para
obtenção do modelo proposto, os erros foram
levantados utilizando o sistema interferométrico.
Sabe-se que durante a medição da barra de esferas,
o efeito do sistema de sondagem está incluído.
Um teste de normalidade foi aplicado aos
valores numéricos do erro residual (fig. 9). O teste
de normalidade efetuado mostra que os valores do
erro residual apresentam pequenos desvios em relação à reta teórica. Porém, a hipótese de normalidade
dos resíduos pode ser aceita.
Fig. 9. Gráfico de probabilidade normal dos valores do
erro residual.
Valor Normal Esperado
Gráfico de Probabilidade Normal dos Resíduos
Erro Residual
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 55-66
Os principais resultados obtidos no desenvolvimento deste trabalho podem ser resumidos e
apresentados como as conclusões abaixo:
• as equações de regressão que descrevem as componentes do erro volumétrico nas direções X, Y
e Z apresentam coeficientes de correlação de
99,19%, 99,93% e 98,15%, respectivamente;
• os valores numéricos dos resíduos para cada
uma das equações do modelo proposto são de ±
4 µm, ± 4 µm e ± 2 µm para cada uma das
direções preferenciais X, Y e Z, respectivamente.
Em conseqüência, caso seja implementado um
sistema de compensação a partir do modelo,
independentemente da posição de medição, o
erro volumétrico após a compensação não ultrapassará ± 6 µm;
• a variável Z, que no caso representa a coordenada
Z dos pontos medidos, é quem mais influência
tem nos valores numéricos das componentes do
erro volumétrico nas três direções;
• o método proposto pode ser estendido à totalidade
das MM3Cs, sendo sua aplicação mais adequada
nas MM3Cs com maior grau de automação. Com
isso, o tempo de experimentação requerido na aplicação do método de calibração volume dividido
pode ser sensivelmente reduzido;
• quando comparado ao método de sintetização,
o modelo proposto mostra-se matematicamente
mais simples e não necessita da calibração dos
21 erros geométricos;
o modelo permite uma sintonia fina a partir
do conhecimento do sistema.
Subvenção
Conselho Nacional de Desenvolvimento
Científico e Tecnológico (CNPq), pela concessão do auxílio, e Laboratório de Metrologia do Departamento de Engenharia
Mecânica da Escola de Engenharia de São
Carlos-USP, onde foi desenvolvido o trabalho.
65
00_C&T18.book Page 66 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
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66
Dezembro • 2001
00_C&T18.book Page 67 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
A Review of Grinding
Fluids – performaces
and management
Uma Revisão de Fluidos de Corte-Desempenho e Manutenção
ERALDO JANNONE DA SILVA
São Paulo State University
[email protected]
EDUARDO CARLOS BIANCHI
São Paulo State University
[email protected]
PAULO ROBERTO DE AGUIAR
São Paulo State University
[email protected]
RESUMO – O presente trabalho tem por objetivo apresentar uma revisão dos princípios básicos envolvidos na seleção,
aplicação, manutenção correta e no meios de descarte dos diferentes tipos de fluidos de corte disponíveis para utilização
em processos de retificação. Após uma detalhada caracterização e classificação dos diferentes tipos de fluidos de corte, são
apresentadas as principais funções dos mesmos na retificação. Os aspectos que afetam o desempenho dos fluidos de corte
são descritoss, dentre os quais destacam-se: a ocorrência da evaporação do filme de fluido de corte e as influências do formato do bico de aplicação e da velocidade do jato de saída do fluido na eficiência da lubrificação e na remoção de calor
por convecção na região de corte. Para os diferentes tipos de fluidos de corte são descritos os fatores que afetam a estabilidade dos mesmos, sendo apresentadas as ações de controle, as quais podem evitar o despojamento prematuro dos mesmos. Em função das tendências mundiais de adequação dos processos industriais às normas ambientais vigentes são
apresentados os procedimentos-padrão de descarte dos diferentes tipos de fluidos de corte.
Palavras-chave: FLUIDOS DE CORTE – GERENCIAMENTO – DESCARTE – RETIFICAÇÃO.
ABSTRACT – This paper presents a review of the basic procedures to the right selection, use, management and disposal of
different types of cutting fluids used in the grinding. After the cutting fluids detailed characterization and classification,
their main functions are presented. The aspects that affect the cutting fluids performance are described, including the film
boiling effect occurrence and the nozzle design and jet velocity influences in the cutting fluid lubricant and convective
cooling abilities in the grinding zone. For the different cutting fluid types, the aspects that affect their stability and the
monitoring and controlling actions are described. These actions can prevent the premature cutting fluid disposal. According to the new global environmental trends the standard disposal procedures are presented for each cutting fluid type.
Keywords: CUTTING FLUIDS – MANAGEMENT – DISPOSAL – GRINDING.
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 67-77
67
00_C&T18.book Page 68 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
INTRODUCTION
T
he former common practice of dumping
metalworking fluids (MWF) when they
show signals of contamination is no longer
feasible. Tighter environmental regulations and
higher coolant and disposal costs are forcing users
to manage their fluids and investing in recycling
(Bienkowski, 1993).
The investment, however, does more than
avoid regulation costs and liability. Clean coolant
also boosts productivity, reduces consumption and
makes the shop healthier and safer. In fact, a good
management program and the proper recycling
equipment can increase the life in service of the cutting fluid.
Fluid application in grinding process is becoming more important as higher stock-removal rates,
higher quality, and longer wheel life are sought.
Selection of an efficient way to apply it, and straight
follow of standard procedures of cutting fluid maintenance are extremely important to meet productivity goals and can be as important as selection of the
grinding wheel specification (Webster, 1995).
The conventional method of grinding fluid
application is in the form of flood through a remote
nozzle. Frequently, this method of flood application
is not very effective, specially under severe grinding
conditions, as the energy of the fluid is not sufficient
to overcome the centrifugal force of the wheel or to
penetrate the boundary layer of air surrounding the
wheel. As a result, only 5% to 30% of the cutting
fluid is effectively used in conventional flood application in grinding operation. (Guo & Malkin,
1992). The non-effective cooling and poor lubricity
at the wheel-workpiece interface cause an increase
in the number of grind wheel dressings. With the
frequent resharpening a premature failure of the
grinding wheel occurs, because about 90% of the
wheel material is lost during dressing and only
about 10% of the wheel is consumed during grinding, making the process highly uneconomical and
inefficient. This dressing process also leads to grinding interruptions, machine down time and additional setup time (Kovacevic & Mohan, 1995).
The optimization of the grinding process
implies not only the selection of the right grinding
wheel and cutting parameters but also the most
68
effective grinding fluid and its correct way of application. Although, a correct use of the cutting fluid
implies the adoption of standard procedures of
maintenance and application, which can slightly
differs, depending on the type of cutting fluid used.
Thus, it is essential the correct understanding of the
important role played by the cutting fluid, the differences among the groups and the efforts required to
the application, maintenance and disposal of each
type of cutting fluid. These aspects are discussed in
this paper.
CUTTING FLUIDS:
CLASSIFICATION,
FUNCTIONS AND SELECTION
Classification
Each of the basic types of fluids has distinct
features, advantages and limitations, although the
dividing line is not always clearly identifiable (Motta
& Machado, 1995). According to ASM (1991), the
four basic types of cutting fluids are:
a) cutting oils: Straight or compounded
mineral oil (plus additives);
b) water-miscible (water-soluble) fluids:
Emulsifiable oils (soluble oils), semichemical (semisynthetical) fluids, chemical solutions (synthetic);
c) gases;
d) paste and solid lubricants.
Cutting oils have a mineral oil base and may
be used straight (uncompounded) or compounded
(combined with polar additives and/or chemically
active or inactive additives or compounds). According to Webster (1995), these oils are napthenic and
paraffinic hydrocarbons refined from natural crude
oil. Their major function is to provide a base for
blends and additives and should be severely hydrogenated to destroy most carcinogenic polycyclic
aromatics. The cutting oils have excellent lubrication properties, good rust control and long life, but
they don’t cool as well as water-miscible fluids do.
The water-miscible fluids are oils mixed with
water at different ratios depending on the machining operation. They can be classified as emulsions
(emulsifiable oils), or synthetics depending on the
basic formulation of the concentrate of the cutting
Dezembro • 2001
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fluid (mineral oil or chemical agents, respectively).
Blended with water, the water-miscible fluids provide the combined cooling and moderate lubrication required by metal removal operations
conducted at high speeds and lower pressures. An
emulsion is a suspension of oil droplets in water
made by blending the oil with emulsifying agents
and other materials. These emulsifiers (soap and
soap-like materials) break the oil into minute particles, conferring to them an electron-negative charge,
creating a repulsive interaction between the oil particles, keeping them dispersed in water for long
periods of time (fig. 1). The emulsions can offer less
lubricant protection and more effective cooling than
mineral oils. Speciall attention must be given to the
quality of the water used, to the type and number of
microorganism presented, to the pH value and to
the concentrate of the emulsion (Bienkowski,
1993).
Fig. 1. Representation of an emulsion (Motta & Machado,
1995)
Synthetic fluids are chemical solutions consisting of inorganic and/or other materials dissolved in
water and containing no mineral oil. In general, the
advantages of using these fluids are rapid heat dissipation, detergent proprieties, excellent workpiece
visibility and long product life. The disadvantages
are insufficient lubricity in severe operations and the
formation of sticky compounds, resulted from the
combination of chemical agents and minerals dissolved in the water used to prepare the blend (ASM,
1991).
The semisynthetic fluids are essentially a combination of chemical fluids and emulsified oils in
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 67-77
water. These fluids are actually chemical solutions
that contain only a small amount of emulsified
mineral oil, about 5 to 30% of the base fluid, which
are added to form a translucent and stable emulsion
of small droplet size. They combine some of the
best qualities of chemical fluids with emulsified oils.
In general, the advantages and limitations are similar
to those described for chemical fluids, except that
the semisynthetic fluids have a better lubricating
properties than chemical fluids (ASM, 1991).
In general, the air is the most common
gaseous fluid. Others, such as argon, helium and
nitrogen are also used, in order to prevent rust of
the chip. Gases such as CO2, with boiling point
below room temperature, can be compressed and
sprayed into cutting zone to provide evaporative
cooling. The use of liquid argon or nitrogen allows
cooling to several degrees below zero. Thus, care is
necessary to prevent part warpage caused by large
temperature differentials. Advantages of inert gases
include good cooling ability, increase of tool life, a
clear view of the operation, elimination of mist, and
no contamination of the workpiece, chip or
machine lubricants. However, researches are still
being conducted to evaluate the real large-scale
applicability of such gases in precision machining.
Among the pastes and solid lubricants, there
are those usually applied manually by brush or by
oilcan to the tool or workpiece in operations such as
tapping and hand reaming. Grinding wheels are
sometimes impregnated with solid possessing lubricant qualities. The solids most often used in heavyduty operations are graphite, molybdenum disulfide, pastes, soaps and waxes.
The roles played by the
cutting fluid in grinding
According to Kovacevic & Mohan (1995),
material removal in grinding which takes place in
the form of very fine chips, is performed by a multitude of cutting edges randomly distributed and randomly oriented. However, this material removal is
accompanied by high energy consumption. Due to
the presence of plastic deformation, friction and
surface generation, most of this energy is converted
into heat, causing high-localized temperatures at the
grinding zone. This results in severe thermal
damage to the workpiece surface in form of cracks,
69
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distortions, tensile residual stress and dimensional
inaccuracies. These undesirable effects are accompanied by wheel wear and wheel loading (adherence
of workpiece particles on the grains and into the
pores of the wheel periphery). Grinding fluids are
traditionally used as an external means to improve
the process performance by providing lubrication
and cooling at the wheel-workpiece interface.
However, the effectiveness of the grinding fluid
depends upon the location of placement, velocity
and quantity of flow, direction of application, design
of the nozzle, among others factors.
To be really effective therefore, a coolant
should not only provide good convective cooling of
the workpiece but also promote cutting as opposed
to plowing. As a result, there is a decrease in the
grinding specific energy required in the process
(Malkin, 1989).
According to Hitchiner (1990), the cutting
fluid can lead to cutting instead of plowing by two
different ways: 1) Making the wheel sharp: the coolant can act to inhibit glazing and capping of the
grits by the decrease of the coefficient of friction; 2)
Reducing the coefficient of friction: lowering the
coefficient of friction between grit and workpiece
allows blunter grits to cut, as well as reducing overall forces levels for a given stock removal rate. This
brings a double benefit: the energy to be dissipated
is lowered, and because cutting is favored, the heat
is more easily dissipated.
Seven characteristics of the four major types
of grinding fluids are listed in table 1 (Webster,
1995). The cooling and lubricate qualities of grinding fluid are the main contributors of good grinding, although the other qualities also need to be
considered before a choice is made.
Tab. 1. Grinding fluids characteristics (1-worst; 4-best)
(Webster, 1995).
CUTTING
SYNTHE- SEMI-SYN SOLUBLE
OILS
TICS
THETICS
OILS
(STRAIGHT
OILS)
Heat
removal
Lubricity
Maintenance
70
4
3
2
1
1
2
3
4
3
2
1
4
Filterability
Environmental
Cost
Wheel
life
4
3
2
1
4
3
2
1
4
3
2
1
1
2
3
4
According to Carius (1989) cited by Webster
(1995), in almost all cases wheel wear is reduced
and, consequently, the G ratio is increased by using
straight oils, as shown on figure 2.
Fig. 2. Wheel wear comparison Carius (1989).
The soluble oils have superior heat transfer
coefficient as compared to the straight oil (Howes,
1990; Ye and Pearce, 1984). According to these
authors, the critical power flux of around 9 W/mm2
was obtained with straight oil when ground in
creep-feed a nickel-based alloy with a high porosity
wheel, at the full depth of cut region. With soluble
oil a critical power flux of 17 W/mm2 was achieved,
representing a significant increase over the straight
oil. This oil has been found to perform better in
shallow cut grinding (Webster, 1995). Its higher
lubricity, as compared to soluble oil, gives rise to
lower specific energies, resulting in the reduction in
specific energy and rate of growth of wear flats on
the grits. It would thus seem possible that straight oil
could also produce lower values of specific energies
than soluble oils in creep-feed grinding and therefore possibly outweigh the disadvantage of its critical power flux lower values.
Hard steel components are probably better
ground with a straight oil than with a water-soluble
fluid. The heat treatment used to harden them
(especially thick sections) is liable to leave them in a
state of tensile stress, therefore relatively small grinDezembro • 2001
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ding stress will often induce catastrophic cracking
and the high-quenched rates found with synthetics
are a disadvantage. Avoidance of burn is better
achieved by good lubrication, which will reduce
grinding forces and promote cool cutting. With softer and more ductile components, emulsion or synthetic fluids may be useful. High quench rates can
be tolerated without cracking, and higher temperatures must be reached before burn occurrence.
In order to fit the new environment concepts
of safeness, the use of new combinations between
grinding wheel and cutting fluid is being encouraged. As a result, new procedures which leads to
decrease of the energy generated during grinding
and make its fast dissipation out of the grinding
zone are being adopted. It includes the use of CBN
grinding wheels, which allow more heat to be conducted by them away from the grinding zone
(Kohli; Guo & Malkin, 1995).
Some of the fluid passing through the grinding zone
may also come into contact with the workpiece
ahead of the grinding zone and provide cooling at
that location. One approach to quantitatively estimate the effect of cooling on the grinding temperatures was to assume a constant convective heat
transfer coefficient over the entire workpiece top
surface. However, this does not seem to be a reasonable representation for actual grinding. A much
higher convective heat transfer is expected where
the fluid is applied behind the grinding zone than
ahead of it for up grinding. Within the grinding
zone, convective cooling by the grinding fluid can
usually be neglected in regular grinding due to film
boiling (Lavine & Malkin, 1990), but not in creepfeed grinding where cooling by the fluid is critical.
Fig. 3. Illustration of the straight surface grinding and
thermal model (Guo & Malkin, 1995)
ASPECTS THAT AFFECTS
ON THE PERFORMANCE
OF CUTTING FLUIDS
USED IN GRINDING
The effectiveness of
cooling in grinding
According to Guo & Malkin (1995), fluid is
usually applied to the wedge formed by the wheel
and the workpiece through a nozzle as illustrated in
figure 3 for up grinding. The situation for down
grinding is similar except that the fluid is applied
from the opposite leading edge side instead of the
trailing edge side as for up grinding. Of the fluid
applied to the wedge, part penetrates the porous
wheel surface and is carried through the grinding
zone, while the rest splashes away sideways or
backwards onto the workpiece surface. The percentage of the applied fluid passing through the grinding zone has found to depend on the wheel
structure and fluid application conditions (Guo &
Malkin, 1992; Engineer, Guo & Malkin, 1992; e
Krishnan, Guo & Malkin, 1995). Creep-feed grinding wheels were found to be much more effective
than regular wheels in carrying fluid through the
grinding zone, so the cooling provided by fluid
within the grinding zone for creep-feed wheels
should be more effective than for regular wheels.
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 67-77
According to Yasui & Tsukuda (1983), the
film boiling phenomenon affects water-soluble
fluids and cutting oils in a different way. As reported
by the authors, the occurrence of the film boiling in
water-soluble fluids lowers the heat transfer coefficient of the fluid to almost the same as air. As a result,
the cooling performance in these fluids deteriorates
to become almost the same as in dry cutting. Since
the physical properties of water-soluble fluids are
almost the same as water, the film boiling seems to
occur at a temperature slightly exceeding 100oC.
Conversely, the cutting oil is a mixture of different
oils having different boiling temperature and its average boiling point is about 300 oC. Therefore, at a
rougher grinding conditions, the effect of film boiling is more critical when a water-soluble fluid is
applied.
71
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Guo & Malkin (1995) studied the effectiveness of the grinding fluid as a coolant within the
grinding zone, ahead and behind of it, and on the
end face of the workpiece during initial cut-in and
final cut-out. They concluded that cooling by the
fluid within the grinding zone is critical for creepfeed grinding, but ineffective for conventional
shallow grinding due to the film boiling. Cooling
behind and ahead of the grinding zone has little
influence on the maximum grinding zone temperature rise for regular grinding, but cooling on the end
face can significantly reduce the maximum grinding
zone temperature especially during cut-out for
creep-feed grinding. Although, the effect of cooling
out of the grinding zone is significant and must be
considered in the convective heat transfer formulations and in the predictions on the workpiece temperatures (Kohli, Guo & Malkin, 1995).
Influence of the grinding wheel type
on the grinding temperatures generated and on the energy partition
An experimental investigation of the energy
partition to the workpiece for grinding steels with
aluminum oxide and cubic boron nitride (CBN)
abrasive wheels was carried out by Kohli, Guo &
Malkin (1995). The energy input to the workpiece
was obtained by measuring the temperature distribution in the workpiece using an embedded thermocouple technique and matching the results with
analytically computed values. It was found that 6075 percent of the grinding energy is transported to
the workpiece as heat with an aluminum oxide
abrasive wheel, as compared to only 20% with
CBN wheels. An analysis of the results indicates that
the much lower energy partition to the workpiece
with CBN can be attributed to its very high thermal
conductivity (CBN = 3,3cal/ºC.cm.s and Al2O3 =
0,08cal/ºC.cm.s) whereby a significant portion of
the grinding heat is transported to the abrasive instead of to the workpiece. The much lower energy
partition to the workpiece with CBN wheels results
in much lower grinding temperatures and a greatly
reduced tendency for thermal damage to the workpiece. Therefore, the incidence of the film boiling
can be reduced, improving the use of water-soluble
fluids, due to the lower grinding zone temperatures
when using CBN wheels.
72
Influence of the nozzle design,
jet velocity and improvement of
the filtration systems on the
cutting fluid performance
According to Webster (1995), the performance of the cutting fluids will be improved if the
delivery system is also improved. It means that all
the delivery system (pump, nozzle design, and
pipes) must be managed to obtain high quality
workpieces. According to him, the following topics
must be carefully analyzed:
a) Nozzle design: The nozzle must be designed
to insure the best jet coherence. Webster (1995)
developed a new round nozzle, based on a round
nozzle for fire hoses proposed by Rouse et al.
(1952). See figure 4. In this figure Cr is the contraction ratio, D is the diameter of nozzle feed pipe and
Dn is the diameter of the nozzle exit.
The traditional grinding nozzle generally has
one or two convex inner walls (fig.5), which allow
the downstream flow to separate (Webster, 1995).
The separated flow has a higher level of turbulence
and pressure drop, which will significant affect jet
coherence. In contrast, the round nozzle has concave
inner walls, which reduce boundary layer growth.
According to the former author, round nozzles,
which inherently have a better coherence, can be
used effectively to replace expensive, profiled nozzles.
Fig. 4. Fire hose nozzle based on Rouse et al. (Webster, 1995).
Fig. 5. Traditional Nozzle (Webster, 1995).
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The design of a coolant nozzle should consider
nozzle aperture geometry (inside and out), nozzle surface finish, nozzle filters, break-edges and high contact ratios (Webster, 1995). The coolant system
design considerations include the use of primary
(entry) and secondary (exit) nozzles, nozzle positioning, coolant flow rate settings, pump capability, flow
conditioners, large-diameter straight pipes and flexible hoses to avoid pressure loses from sharp bends.
Cooling performance has only a small sensitivity to nozzle angle, as long as the flow is directed to
the grinding zone. An increase in nozzle distances
reduces the cooling performance, especially with a
low-coherence jet nozzle. Therefore, the nozzle
should be placed as close as possible to the workpiece (Webster, 1995).
b) Jet velocity: the jet velocity should be increased to match the grinding wheel speed to overcome the air-barrier created by the grinding wheel
spindle. According to Webster (1995), a matched
wheel-to-coolant speed ratio is optimum for most
applications, except where pump cost or power
consumption is excessive.
To investigate the effect of wheel speed versus
jet speed, Webster (1995) performed tests where the
flux for 3 wheel speeds (vs) with jet velocity ranging
from less than wheel speed to greater than wheel
speed, was measured, as shown in figure 6. In this
figure, V* is defined as the ratio between the jet
velocity and the wheel speed.
Fig. 6. Jet/Wheel velocity ratio at three wheel speeds for
1/16” nozzle aperture (Webster, 1995).
the heat flux capability levels off when the jet speed
matches the wheel speed. Hydrodynamic pressure
measurements can be used to optimize fluid application in terms of nozzle direction, jet velocity and
volume flow rate. In addition, the presence of nonnegative pressure within the grinding zone suggested
that film boiling is occurring and, therefore, stock
removal rate should be reduced (Webster, 1995).
According to Kovacevic & Mohan (1995),
the improved cooling/lubrication effect at the grinding zone, effective cleaning action and reduced
wheel loading effect of the high-speed jet are responsible for the improvement in the grinding performance. The waterjet stream at higher speeds also
provides dressing/resharpening effect on the wheel
by removing a layer of grains from the surface,
exposing new grains. The high flow rate of grinding
fluid improves the convective cooling effects and
prevents complete evaporation of the fluid film at
the grinding zone. The effectiveness of high speed
grinding fluid increases as the jet velocities increases.
As a result, the grinding forces, wheel wear and
burn are reduced, leading to overall improvement
in the grinding process.
c) The effect of the improvement of the filtration systems: An effective filtration is an important
factor that must be applied if quality workpieces are
desirable to be ground. The filtration is extremely
import if CBN wheels are used. According to Leal
(1993), the grinding wheel will become loading earlier if the cutting fluid has an excessive amount of
abrasive particles and chips. As a result, the number
of dressing operations will increase, resulting in an
increase of the grinding costs. If there is a poor filtration, the problems observed in the high pressure
pumps used when grinding with CBN wheels will
increase due to the abrasion between the grinding
particles dissolved in the cutting fluid and the internal parts of the pumps used.
ASPECTS THAT INLFUENCE
THE STABILITY OF THE
CUTTING FLUIDS
It can be noted that a higher heat flux indicates
better cooling effectiveness of the cooling configuration because more power is being applied for a constant element temperature. The results indicate that
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 67-77
Cutting fluids
The temperature of the cutting oil should be
between 21 and 24oC (70 and 75oF) and the
entrance of another fluids in the sump must be avoi73
00_C&T18.book Page 74 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
ded. This undesirable mix can lead to the formation
of insoluble composites due to the incompatibility of
some additives. The life of cutting oils will be improved if periodic filtration is carried, removing the swarf
and abrasive particles generated during grinding, preventing the wear in the internal pump components.
Water-soluble fluids
The stability of the emulsion depends on the
maintenance of the repulsive charges among the oil
droplets dispersed in water. This stability can be
broken, leading to the premature disposal of the
emulsion, when one of the situations below occurs:
The introduction of acids and organic or inorganic
salts in the emulsion; the acidulation of the emulsion due to CO2 absorption during the preparation
of the emulsion; the proliferation of microorganisms, such as bacteria and fungi. The bacteria consume the emulsifiers and anti-rust agents, generating
acids as a subproduct of their metabolism. It causes
the breakdown of the emulsion, reduces the pH and
decreases in the anti-rust protection.
Since soluble oils can be up to 99% water, its
quality affects overall performance more than any
other factor. Dissolved minerals and gases, organic
matter, microorganisms or combinations of these
factors cause scum, rancidity, foam and excess concentrate usage. Hardness, is, perhaps, the most significant influence on quality. It comes from
dissolved mineral such as calcium and magnesium
salts. Soft water falls within the 0-100 ppm range,
and hard water contains 200 ppm or more. Ideal
hardness is 80-125 ppm (Bienkowski, 1993). Concentrate mixed with water of hardness less than 75
ppm foams easily, especially in applications that agitate the fluid excessively. Mix concentrate with hard
water tends to form insoluble soaps. Dissolved
minerals combined with anionic emulsifiers in the
concentrate form insoluble compounds that appears
as scum coating the sump, coggling pipes, bilding filters, and even covering the machine and gages.
High hardness can also affect the soluble oil’s stability. The water’s positive ions neutralize the anionic
emulsifiers, causing separation. Even in soft water,
monitoring and controlling hardness is important
because dissolved minerals accumulate and stay in
solution when water evaporates. The make-up
water simply adds more minerals, which eventually
74
cause problems. To prevent foaming yet avoid salt
accumulation, recharge the sump with untreated
water (if mineral content is acceptable) and use
demineralized water in the make-up.
The pH value is a good indicator of microbiological problems occurring in the emulsion, strongly
related with bacterial contamination. Besides, lower
pH values also indicate that the anti-rust properties of
the emulsion are decreasing. The decreasing of the
pH values should indicate a bacterial proliferation in
non-permissible levels. The gradual emulsion acidulation can be function of the release of acid subproducts generated during the bacterium metabolism.
The pH value must be constantly monitored, and its
value must be between 9 and 10.5, to avoid bacterial
proliferation (Runge & Duarte, 1990)
The control of the concentration of watersoluble fluids is extremely important, in order to
insure all the design anti-rust and lubricity properties of the fluid in use. The mix rate can vary widely,
depending on the type of water-soluble fluid used.
Especially attention must be given when interpreting concentration results. Depending on the concentration measurement method applied to its
determination, tramp oils, cleaners, hydraulic fluids
and others contaminants should impair the accuracy
of the method used (Bienkowski, 1993).
The microbiological control of the emulsions is
essential because they can suffer many types of contamination. The results of a contamination by aerobic
and anaerobic bacteria are a decreasing in the pH
value, skin irritations, corrosion, production and release of H2S (called as “Monday morning stink”) by
the anaerobic ones, tramp-oil formation and the premature disposal of the emulsion. The fungi contamination produces fungal growth accompanied by a
locker-room odor, block flumes, clog sprays, leading
to hydraulic leaks, blocking pipes and filters.
The control of the microbiological contamination is the key to avoid the premature disposal of
the cutting fluid. A weekly or biweekly test is usually
enough to catch biological contamination (Bienkowski, 1993). Two common ones are plate counts
and dipslide tests. The key in controlling rancidity is
maintaining the proper pH and concentration, keeping the equipment clean and aerating the coolant,
to avoid anaerobic bacteria proliferation. Since
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many coolants contain biocides, maintaining concentration in properly cleaned systems helps control
microorganisms. Adding biocides always extend the
fluid’s life. Although, this addition could not be
made when only a high level of contamination were
detected, because at this time a high level of biocide
must be introduced, which not always is possible,
due to safeness requirements, and the pH will have
dropped to undesirable levels. It will be necessary
the addition of anti-rust substances and others that
rise the pH value, resulting in emulsions with low
quality, only acceptable, but not efficient. Besides,
using only one biocide, however, may allow some
species to proliferate. It is recommended that the
chemicals should be randomly rotated.
STANDARD PROCEDURES OF
CUTTING FLUIDS DISPOSAL
Solid residues found
in the grinding fluids
The type of the metallic particles found
depends on the ground material, the operation
done and the type of cutting fluid used. The abrasive particles come from the abrasive grains released
during grinding. Dissolved minerals in the water
combine with anionic emulsifiers in the concentrate
to form insoluble compounds as scum. The particles
resulted from the biological degradation should
form “black precipitates” generated by the combination of H2S and iron ions, conferring the emulsion a gray aspect. The fungi contamination
produces fungal growth which blocks pipes and filters. The external contaminants, such as dust, oil,
organic materials and the fluid-metal interaction
residues have a negative effect in the cutting fluid filtration system, and in its efficiency.
Disposal of cutting oils
The cutting oils can be sent to a new refining
or can be recovered by the user or by specialized
companies. The cutting fluid can also be boiled in
kettles if there are no legal restrictions and the oil
must be dry, with no impurities, with low concentration of sulfur and must not contain chlorine.
Disposal of water-soluble fluids
According to Roosmore (1990), there are
several legal restrictions on dumping used soluble
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 67-77
oils either into waterways or indirectly into municipal waste treatment facilities. These fluids contain
excessive levels of oil, suspended and dissolved
metals, biocides, corrosion inhibitors and products
of microbiological metabolism.
For the emulsion, the method used to separate the oil from the water consist in adding acids to
decrease the pH and metallic salts (aluminum sulfate, iron chloride), forming insoluble compounds,
breaking the emulsion. The oil phase is removed
from the water phase and treated as a cutting oil.
The water phase, resulted from emulsion breakdown, after its neutralization, must be in order
with the disposal legal recommendations. The disposal of the lees generated during the emulsion breakdown must follow the legal recommendations.
The emulsion disposal procedures can be divided in two types: physical and chemical. The selection
of one method depends on the composition of the
emulsion, on the total costs involved and on the legal
recommendations. Although, all the processes have
the same three basic steps: emulsion breakdown, oil
phase removal and treatment of the water phase.
The physical processes used to breakdown
emulsion includes ultrafiltration (the oil molecules
are “caught” by filters with membranes with controlled pores) and thermal separation in which the
separation occurs by the heating of the emulsion. In
the chemical processes, metallic salts are added to
the emulsion causing the degradation of the emulsifiers and the separated oil is removed.
The synthetic fluids by design have all their
substituents in solution. Waste fluids must have biochemical oxygen demands (BODs) in excess of
10,000 mg/l. This level should be reduced before
entering sanitary system. Many users have installed
biological treatment systems to handle this type of
fluid. An alternative is reverse osmoses, which can
effectively reduce the level of dissolved constituents.
NEW CUTTING
FLUIDS GLOBAL TRENDS
According to Simon (1999), the adoption of
standard procedures related with the environment
concepts when manufacturing the new machining
machines it is a new global trend. The manufacturers are given special attention to the new environ75
00_C&T18.book Page 76 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
ment recommendations in order to fit their
machines to the ISO environment standards. The
manufacturers and researchers are focusing on the
“environment non-aggressive machining” which
includes the new trends related to the development
and analysis of large-scale applicability of new
machining approaches, such as “dry machining”,
machining with minimal quantity of lubricant, the
use of gases such as air, argon, in order to substitute
the usual cutting fluids. Besides, new methods to
separate the chips and swarf from the cutting fluid
are being developed, which make the disposal easier
and improve the cutting fluid life.
In many European countries, the cutting oils
are being gradually substituted by water-soluble
fluids, due to its high cost and to the health hazards
caused by the use of mineral oils. According to
Webster (1995), the mineral oils are known to be
carcinogenic, causing skin cancers. The use of chlorine as an EP additive is being restricted in many
countries, due to the hazards it can cause when cutting fluids containing this additive are not correctly
disposed. The chlorine solvents can easily penetrate
in the soil, accumulate and easily reach underground waters, poisoning them. Approximately,
1kg (2,2 lb.) of chlorine solvent can poisoned
40,000 m3 (10,566,882 gal) of water. In Germany,
there is a severe legislation, which controls the disposal of chlorine hydrocarbon. According to Runge
& Duarte (1990), the chlorine paraffin presented in
some cutting fluids, is included too. The maximum
concentration of chlorine in cutting fluids for disposal is 0.5% of total chlorine. When higher values are
found, this cutting fluid must be incinerated, but in
temperatures higher than 1.100oC (2012oF), in incinerator which has gas washing towers, a tighter
control and monitoring of the gases production to
completely avoid the release of dioxins. The use of
fluids that contains nitrite may present a hazard,
because nitrites can react with amines to form nitrosamines, which are carcinogenics. The use of nitrites
and amines is being restricted.
CONCLUDING REMARKS
Nowadays, the control of actual machining
parameters (cutting conditions and selection of
abrasive tool) are not enough to ensure the optimization of the grinding operation. The important
role played by the cutting fluid can’t be considered
as a secondary one. The use of cutting fluids needs
to be optimized. It implies not only the right selection of the most effective cutting fluid, which can
better fit the abrasive tool and cutting conditions
selected but also the implementation of its most
effective way of application. In addition, a correct
use of the cutting fluid implies the adoption of standard procedures of maintenance and application,
which can slightly differs, depending on the type of
cutting fluid used. As a result, it is essential the correct understanding of the important role played by
the cutting fluid, the differences between the groups
and the efforts and costs required to the application,
maintenance and disposal of each cutting fluid type.
The total grinding costs depends on a proper analysis. As the cutting fluids formulations are becoming
more sophisticated and the environment regulations
of disposal are tighter, it is essential that efforts and
costs involved in the cutting fluid disposal must be
carefully investigated before using an specific type of
cutting fluid. Otherwise, the non-planned disposal
costs can catastrophically increase the total grinding
costs, making the process uneconomical.
Acknoledgments
The authors wish to thank the financial
support given to this review by Fapesp.
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Estudo da Influência da
Pressão e Vazão do
Fluido de Corte no Processo de Retificação
Evaluation of the Cutting Fluid Pressure and
Flow Rate Influence in the Surface Grinding
EDUARDO CARLOS BIANCHI
Universidade Estadual Paulista-Unesp
[email protected]
RODRIGO DAUN MONICI
Universidade Estadual Paulista-Unesp
[email protected]
ERALDO JANNONE DA SILVA
Universidade Estadual Paulista-Unesp
[email protected]
PAULO ROBERTO DE AGUIAR
Universidade Estadual Paulista-Unesp
[email protected]
IVAN DE DOMENICO VALARELLI
Universidade Estadual Paulista-Unesp
[email protected]
RESUMO – A retificação é um processo de fabricação em desenvolvimento no setor industrial, principalmente nas áreas de
usinagem que necessitam de grande precisão dimensional, qualidade superficial e de custo. Ocorre, também, uma maior
exigência na qualidade das peças produzidas, mas com o uso racional de recursos diminuindo o custo do processo, em
geral. Este trabalho apresenta um estudo sobre a influência da intensidade de pressão e vazão do fluido de corte no comportamento do processo de retificação do tipo tangencial plana. Para a análise do resultados, manteve-se constantes as
condições de usinagem e variou-se os valores de pressão e vazão do fluido de corte. Os ensaios foram realizados com um
rebolo convencional de óxido de alumínio, retificando como corpo de prova o aço VC 131, com dureza média de 60
HRc. Dos resultados obtidos, verifica-se que, com o aumento dos valores de pressão e vazão do fluido de corte, a força
tangencial de corte cresceu, o rebolo desgastou diametralmente menos (consequentemente, com maior valor obtido de
relação G) e os valores de rugosidade média aritmética da peça e da temperatura diminuíram.
Palavras-chave: FLUIDO DE CORTE – RETIFICAÇÃO PROFUNDA – REFRIGERAÇÃO.
ABSTRACT The rectification is a production process in development in the industrial section, mainly in grinding sections that
need great dimensional precision, superficial quality and cost. It also happens a larger demand in the quality of the produced
pieces even so with the rational use of resources decreasing the cost of the process in general. This paper presents a study of
the cutting fluid pressure and flow rate influence on the surface grinding. On the tests performed, an unique cutting condition was applied and the cutting fluid pressure and flow rate were varied. The trials were conducted using an Al2O3 grinding wheel and the material of the test specimens was the VC 131 steel, 60 HRc. As a result, it can be concluded that an
increase in the cutting fluid flow rate and pressure leads to an increase in the cutting force and a decrease in the grinding
wheel wear (and, consequently, an increase in the G ratio), in the roughness and in the workpiece temperature.
Keywords: CUTTING FLUID – ABUSIVE GRINDING – COOLING.
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INTRODUÇÃO
A
dinâmica e a velocidade de transformações
em nossa sociedade estão rompendo padrões
de qualidade e de exigências dos consumidores com uma intensidade inusitada, culminando
com o freqüente surgimento de produtos que já
estão obsoletos poucos dias após o seu lançamento.
Essa é a realidade que se tem presenciado em diversos segmentos de consumo, tanto de bens físicos
como de serviços.
A globalização é hoje um fato consumado na
ordem mundial. Por meio dela, um grande número
de trocas comerciais, culturais, tecnológicas e financeiras ocorre entre países numa velocidade sem precedentes na história da humanidade.
Na economia globalizada, os processos de usinagem passam por constante evolução para atender
a um mercado cada vez mais exigente. Dentro das
condições de usinagem, devido à crescente velocidade de corte em que as máquinas operam e, consequentemente, com a maior quantidade de calor
gerada, o fluido de corte e a forma de aplicação no
processo passam a ter uma maior relevância.
Há disponível no mercado uma grande diversidade de óleos e fluidos de corte para os diferentes
processos de usinagem em que se deseje usá-los.
Diversos fatores influem na escolha do melhor
fluido, como viscosidade, características técnicas,
custo etc. Mesmo após essa escolha, ainda existem
outras considerações que devem ser feitas para seu
melhor aproveitamento. Entre elas, destacam-se a
geometria do bocal pelo qual o fluido será introduzido na operação, a intensidade de pressão e vazão
na saída do bocal, a melhor posição em que deve ser
colocado o bocal, sendo todas de substancial importância para a melhoria da qualidade final da peça.
Este trabalho tem como objetivo apresentar
um estudo comparativo do desempenho de um
rebolo convencional de óxido de alumínio (Al2O3)
submetido a uma condição de usinagem para dois
valores de pressão e vazão do fluido de corte, denominados por máximo e mínimo, de forma a se
obter subsídios para análise do comportamento do
processo de retificação.
Para a realização dos ensaios, um bocal foi
especialmente projetado e construído de modo a
que a vazão de fluido de corte fosse direcionada
80
com o mínimo atrito entre o fluido e as paredes
internas, para o melhor escoamento.
As condições de usinagem (penetração do
rebolo na peça a [µm], velocidade da peça vw [m/s]
e velocidade de corte vs [m/s]) foram mantidas constantes durante os ensaios. Assim, foram avaliadas as
variáveis de saída do processo de retificação (força
tangencial de corte Ftc [N], rugosidade média
aritmética Ra [µm], relação G [--] e temperatura T
[ºC]) em relação aos valores de pressão e vazão do
fluido de corte.
EFEITOS DA ALTA VELOCIDADE
DO FLUIDO DE CORTE
Segundo Kovacevic & Mohan (1995), fluidos
de corte têm sido tradicionalmente usados para a
refrigeração e lubrificação na interface entre o
rebolo e a peça. O desempenho do fluido de corte
pode ser melhorado se for utilizada uma maior
velocidade de saída do bocal, pois isso pode superar
a força centrífuga do rebolo e penetrar as redondezas do envelope de ar. A taxa de volume de fluido
também pode ser grande o suficiente para providenciar a efetiva refrigeração/lubrificação para a zona de
usinagem.
A remoção de material em retificação ocorre
em forma de cavacos finos e é realizada por grande
quantidade de arestas de corte distribuídas e orientadas ao acaso na superfície de corte do rebolo. Contudo, a remoção desse material é acompanhada por
um alto consumo de energia, com a presença da
deformação plástica, atrito e geração de energia
calorífica causando altas temperaturas localizadas na
zona de usinagem. Isso resulta em vários danos
térmicos para a superfície da peça, na forma de fissuras, distorções, tensões residuais e incerteza
dimensional e geométrica. Esses efeitos indesejáveis
são acompanhados pela aderência de partículas da
peça (cavacos) nos poros do rebolo.
Fazendo uma comparação da aplicação do
fluxo de fluido de corte a alta velocidade em todo o
raio de ação da velocidade do jato, tanto as componentes da força tangencial de corte quanto da força
normal de corte são reduzidas em mais de 50% com
a aplicação do jato de fluido de corte que sai do
bocal em alta velocidade. A utilização do fluido de
corte com elevada velocidade de penetração
Dezembro • 2001
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melhora significativamente a refrigeração e a
lubrificação, reduzindo os esforços gerados durante
o processo e melhorando o acabamento da peça,
diminuindo em mais de 50% os valores de rugosidade superficial da peça. Assim, o desempenho total
do processo foi melhorado pela aplicação do fluido
de corte a alta velocidade.
Conforme Guo & Malkin (1995), a energia
gasta pelo processo de usinagem pode causar temperaturas muito altas e danos térmicos para a peça.
Os fluidos são aplicados principalmente para providenciar lubrificação e refrigeração, sendo que tais
propriedades estão relacionadas à eficiência do
fluido quanto a esses parâmetros. O processo de usinagem requer alta energia por unidade de volume
de material, que é virtualmente todo convertido em
calor na zona de usinagem. Isso resulta em elevadas
temperaturas e possíveis danos térmicos à peça.
Fluidos são aplicados para remover calor da peça de
trabalho.
Segundo Malkin (1989), a retificação ocorre
por meio de interações entre os grãos abrasivos e a
peça a ser retificada. De acordo com o modelo de
análise dos mecanismos de geração do cavaco, a
energia total de retificação (u) inclui as energias referentes à remoção do cavaco propriamente dita (uch),
ao deslizamento dos grãos abrasivos de áreas de
topo de grãos desgastadas com a peça (usl) e à energia referente ao deslocamento de material por
deformação plástica (sulcagem), sem a remoção do
mesmo (upl).
Conforme Mariani & Trebing (1992), fluidos
sintéticos têm uma viscosidade menor do que os
óleos integrais. Para aplicar corretamente um fluido
refrigerante sintético em operações de usinagem
com diamante e CBN, é necessário aumentar o
volume de fluido refrigerante, ou a velocidade, ou
rearranjar o bocal do refrigerante para capturar o
máximo de fluido possível para a peça de trabalho.
Um rebolo em alta velocidade forma uma turbulenta camada com alta pressão de ar próxima à sua
superfície. Usinagem com altas velocidades requer a
aplicação de refrigerante em alta velocidade para
penetrar nessa camada. Considerando que os fluidos de corte sintéticos são mais miscíveis que os
óleos, eles necessitam de uma velocidade de aplicação na região de corte superior aos óleos, evitando
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 79-85
sua dispersão excessiva e, conseqüentemente, baixa
refrigeração/lubrificação da região de corte. Um
volume grande de refrigerante também é necessário
para efetivamente resfriar a interface entre o rebolo
e a peça de trabalho e retirar os cavacos da área de
usinagem. Desde que os sintéticos tenham uma viscosidade menor, pode-se também querer usar um
volume de fluido maior. O arranjo do bocal de refrigerante pode maximizar a lubrificação e a refrigeração, ajustando-se o bocal à parte crítica da interface
entre o rebolo e a peça de trabalho para o refrigerante ser continuamente jogado.
De acordo com Webster & Ciu (1995), a aplicação do fluido em processos de usinagem está se
tornando mais importante devido à alta taxa de
remoção, à alta qualidade e à longa vida do rebolo.
A seleção de um eficiente método de aplicação é um
modo significativo de encontrar metas de produtividade, e pode ser tão importante quanto a seleção
das especificações do rebolo. O papel do fluido em
operações de usinagem é o de refrigerar a peça, retirar os cavacos, lubrificar a zona de usinagem, refrigerar e limpar o rebolo. Geralmente, a energia de
usinagem é dissipada no cavaco, na peça, no rebolo
e no fluido.
Segundo Guo & Malkin (1995), apud Webster & Ciu (1995), a energia gasta pelo processo de
usinagem pode causar temperaturas muito altas e
danos térmicos à peça. A utilização de fluidos propicia a retirada de calor, minimizando os danos térmicos que poderiam criar tensões indesejáveis na
superfície da peça, além de comprometer a fixação
dos grãos abrasivos na superfície de corte.
METODOLOGIA
Visando a realização deste trabalho, foram
realizados dois ensaios laboratoriais, mantendo
constantes as condições de usinagem (vs, vw e a) e
alterando os valores da pressão e vazão do fluido de
corte. Foram medidos os parâmetros de saída: força
tangencial de corte, rugosidade média aritmética da
peça, temperatura e relação G.
Para a medição da força tangencial de corte,
optou-se pela determinação em tempo real da
mesma através da rotação n da ferramenta e da
potência elétrica Pc consumida pelo motor de acionamento do rebolo durante o corte. Para tanto, uti81
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lizou-se um circuito condicionador de sinais que
permite a aquisição e transformação dos valores de
corrente elétrica, tensão elétrica e rotação do motor
em sinais de tensão elétrica compatíveis para ser
enviados a uma placa de aquisição de dados A/D.
Utilizando o software de aquisição de dados LabView 4.1, equações de calibração previamente
determinadas e os valores de tensão lidos pela placa
de aquisição de dados, foi possível calcular a força
tangencial de corte Ftc. Para o cálculo da força tangencial de corte, utilizou-se a equação (F = 1.000 x
P x 30/3,1416xnxd), mas a potência elétrica do
motor foi conseguida através de uma equação de
calibração, medindo-se a tensão no motor do cabeçote da máquina (P = 3 x (1574,517 x V +
2,416)). A rotação do rebolo foi obtida por meio do
acoplamento de um encoder ao eixo do motor da
máquina, medindo-se a rotação do eixo com um
tacômetro e medindo-se a tensão. Obteve-se, assim,
a equação de calibração do encoder (n = 0,7587 x
V6 - 10,5274 x V5 + 56,0349 x V4 -143,7373 x V3
+ 189,3093 x V2 + 669,8487 x V + 7,765). A calibração do termopar foi realizada medindo-se a temperatura com um termômetro e a medição da
tensão, com um multímetro, obtendo-se desse
modo a equação de calibração para a temperatura
(T = 244,0409 + 240,52825 x V).
O material utilizado para a realização dos
ensaios foi o aço VC 131, temperado e revenido,
com dureza média de 60 HRc. As dimensões dos
corpos de prova foram de 263,5 mm de comprimento, 40 mm de altura e 5 mm de espessura.
Inicialmente, o corpo de prova foi fixado
sobre a mesa da máquina retificadora e, posteriormente, foram acertadas todas as condições de usinagem (velocidade de corte, velocidade da mesa e
penetração do rebolo na peça). Depois, deu-se início aos ensaios, medindo-se a força tangencial de
corte em tempo real, rugosidade média aritmética
da peça e o desgaste diametral do rebolo no final de
cada ensaio.
Os valores de temperatura na peça foram
medidos com dois termopares inseridos em pequenos furos transversais nas peças, espaçados de 5 mm
na direção vertical. Assim, o corpo de prova era retificado até que o próprio termopar também o fosse.
Nesse momento, o termopar desprendia-se natural82
mente da peça, e o termopar seguinte continuava a
registrar a temperatura até que fosse retificado de
forma similar ao anterior. Os valores de temperatura também foram registrados via software.
A rugosidade média aritmética (Ra) dos corpos de prova era medida periodicamente (a cada
número predeterminado de passadas do rebolo
sobre a peça, dependendo da condição de usinagem), utilizando-se um rugosímetro marca Taylor
Hobson, modelo Sutronic 3+ (com cut-off de 0,8
mm e filtro 2CR [ISO]), em três posições distintas
do corpo de prova (laterais e centro) e quatro vezes
consecutivas em cada posição. Depois, era feita a
média dos valores obtidos e anotadas para posterior
utilização.
Os ensaios foram realizados com o uso da
metade da largura (altura) do rebolo. Dessa forma, a
metade não utilizada no ensaio servia como referência para a medição da perda diametral do rebolo.
No final de cada ensaio, o perfil geométrico do
rebolo era marcado sobre uma chapa metálica (aço
com baixo teor de carbono), para posterior medição
do desgaste do rebolo. Como o volume de material
removido era constante a cada ensaio, a determinação da relação G era direta.
A operação de dressagem foi realizada através
de um dressador de ponta única, com grau de recobrimento de dressagem (Ud) igual a 1, para a obtenção da máxima agressividade da superfície de corte
do rebolo.
As condições de usinagem utilizadas foram:
penetração do rebolo na peça a = 185 µm, velocidade de corte do rebolo vs = 33 m/s e velocidade da
peça vw = 1,1 m/min.
Os valores de pressão do fluido de corte
foram medidos por meio de um orifício existente
no bocal, fixado a uma mangueira ligada a um tubo
em U contendo mercúrio. Variava-se a válvula de
controle do fluido até obter a pressão desejada
(máxima ou mínima), que era verificada através do
desnível da coluna de mercúrio.
A medição da vazão do fluido corte foi feita
pela tomada de tempo para encher um recipiente
graduado em cinco litros. Foram feitas três medidas
antes de cada ensaio, para se obter um valor médio
confiável.
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Os valores de pressão e vazão utilizados nos
ensaios foram Pmáx = 28.417 Pa com Qmáx = 0,33
l/s e Pmin = 2.935 Pa com Qmin = 0,0735 l/s.
Para se obter os valores de pressão e vazão, foi
projetado e construído um bocal com perfil de bico
arredondado, baseado em Webster & Ciu (1995),
conforme mostrado na figura 1. Isso foi realizado
porque os bicos tradicionais geralmente têm uma ou
duas paredes internas convexas e proporcionam um
nível alto de turbulência, o que afeta significativamente a convergência do jato. Em contraste, o novo
bocal arredondado tem paredes internas côncavas,
o que impede o crescimento da turbulência.
Fig. 1. Bico de refrigeração baseado em Webster (1995).
de corte é maior, o que diminui a temperatura na
região de corte e acarreta menor deterioração do
ligante. Dessa forma, o grão abrasivo permanece
aderido por mais tempo na superfície de corte do
rebolo. Assim, há uma ampliação da área de contato
do rebolo com a peça, que, consequentemente,
aumenta a força tangencial de corte.
No caso em que a refrigeração ocorreu com
os menores valores de pressão e vazão, houve uma
maior degradação do ligante (pelo aumento da temperatura na região de corte), fazendo com que os
grãos abrasivos se desprendessem mais rapidamente
da superfície de corte do rebolo. Dessa forma, os
novos grãos abrasivos (que são mais afiados do que
os já desgastados) possuem maior capacidade de
remoção de material, o que implica menores valores
de força tangencial de corte. Assim, de acordo com
o gráfico, a força tangencial de corte com mínima
pressão e vazão apresentou-se menor do que a força
tangencial de corte com máxima pressão e vazão ao
longo do volume de material removido, nas duas
condições citadas.
Fig. 2. Resultados obtidos de força tangencial em função
do volume de material removido.
onde:
D = 4,8 mm é o diâmetro da tubulação de entrada;
Dn = 3,2 mm é o diâmetro de saída do bico; e
Cr (D/Dn) = 1,5 é a razão de contração.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados obtidos nos ensaios são apresentados na forma de gráficos de força tangencial de
corte, temperatura e rugosidade média aritmética da
peça em função do volume de material removido e
relação G em função da pressão e vazão.
Resultados de força
tangencial de corte
Na figura 2 são apresentados os valores obtidos de força tangencial de corte.
Pode-se verificar que quando os valores de
pressão e vazão foram maiores, a magnitude da
força tangencial de corte foi maior. Isso ocorre por
que, no caso, a capacidade de refrigeração do fluido
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 79-85
Resultados de temperatura
Para a constatação da influência da temperatura no desempenho do processo de retificação, são
apresentados nas figuras 3 e 4 os valores de temperatura medidos com os dois termopares.
Pela análise dessas figuras, pode-se verificar,
tanto para o termopar 1 quanto para o termopar 2,
que a temperatura é mais elevada quando a pressão
de saída foi mínima.
83
00_C&T18.book Page 84 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Esses resultados já eram esperados, pois
quando a vazão e a pressão são menores, há menor
refrigeração na área de contato entre o rebolo e a
peça de trabalho. Devido a essa menor capacidade
de refrigeração e ao constante atrito entre o rebolo e
a peça, a quantidade de calor gerada é relativamente
grande. Portanto, a temperatura medida nesse caso
é maior.
Na situação em que os valores de pressão e
vazão foram máximos, verificou-se que a ação da
refrigeração foi mais eficiente e os valores de temperatura foram menores, devido à redução da ação do
constante atrito entre o rebolo e a peça. Ou seja, não
é gerada a mesma quantidade de energia em forma
de calor que a gerada pela pressão e vazão menores.
Fig. 3. Resultados de temperatura obtidos em relação ao
volume de material removido, referente ao termopar 1.
Fig. 4. Resultados de temperatura obtidos em relação ao
volume de material removido, referente ao termopar 2.
84
Maris & Snoyes (1973) concluíram, após um
extenso levantamento bibliográfico, que cerca de 60
a 90% do calor gerado no processo de retificação
fluía para a peça quando da utilização de rebolos
convencionais de óxido de alumínio (Al2O3). Esses
valores foram experimentalmente comprovados
por Malkin & Anderson (1974), que utilizaram
calorímetros para a determinação dessa partição de
energia. Dessa forma, a redução da geração de calor
promovida pela melhor refrigeração da região de
corte mantém a capacidade de corte do rebolo
durante tempos maiores, diminuindo o seu desgaste, reduzindo as parcelas de energia relativas ao
plowing (upl) e ao deslizamento de grãos cegos (usl).
Resultados de Relação G
Fig. 5. Resultados de relação G em função da pressão e
vazão.
A relação G é definida como a relação do
volume de material removido e o volume de ferramenta gasta durante do tempo de usinagem. Na
figura 5, são apresentados os valores de relação G
obtidos nos ensaios.
Pode-se verificar que quando os valores de
pressão e vazão são maiores, a relação G (8,73) é
maior. Isso ocorre pela melhor refrigeração na interface entre o rebolo e a peça, conforme comentários
realizados anteriormente. Portanto, os grãos abrasivos permanecem mais tempo fixos à superfície de
corte do rebolo, proporcionando um menor desgaste diametral do rebolo (consequentemente, com
um aumento da relação G).
No caso dos valores de pressão e vazão serem
menores, devido à menor refrigeração, os grãos
abrasivos apresentam menor capacidade de fixação
Dezembro • 2001
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pelo ligante, em função da deterioração térmica do
ligante, o que proporciona maior desgaste diametral
do rebolo. Nesse caso, o valor de relação G (5,07)
obtido foi menor.
Resultados de rugosidade média
aritmética da peça
Com a maior retenção dos grãos abrasivos na
superfície de corte do rebolo, o que ocorreu quando
os valores de pressão e vazão foram maiores, há
maior desgaste no topo dos grãos abrasivos. Isso faz
com que o material sofra menor riscamento e, consequentemente, a rugosidade média aritmética da
peça seja menor.
Pela análise da figura 6, pode-se verificar que a
rugosidade média aritmética obtida em cada passada do rebolo sobre a peça foi menor quando utilizados os valores máximos de pressão e vazão.
Seguindo o mesmo raciocínio utilizado para a
força tangencial de corte e da relação G, devido aos
grãos abrasivos se manterem ligados aos rebolos por
mais tempo para a máxima pressão, pela maior
refrigeração, a área de contato é maior, pois os topos
dos grãos em contato durante a usinagem acabam
ficando com o diâmetro relativamente maior. Isso
ocasiona menores valores de rugosidade, não promovendo a remoção efetiva de material, causando
maior deformação plástica na superfície do mesmo
e, consequentemente, não gerando grandes vales e
picos como os ocasionados com a remoção de material quando da utilização de grão abrasivo que possui
arestas de corte mais afiadas (expostas). Já quando a
pressão é mínima, o diâmetro dos topos dos grãos
abrasivos serão relativamente menores, o que ocasionará maior valor à rugosidade.
Fig. 6. Resultados obtidos do valores de rugosidade em
relação ao volume de material removido.
CONCLUSÃO
Dos resultados obtidos, pode-se concluir que,
de uma maneira geral, quando o fluido de corte foi
utilizado com valores de pressão e vazão mais elevados, o desempenho do rebolo foi melhorado. Neste
caso, apesar da força tangencial de corte ter se elevado, o calor gerado na zona de corte foi menor, a
relação G foi maior e a rugosidade média aritmética, menor. Estes resultados mostram que a instalação de um bocal que melhore a refrigeração na
interface entre o rebolo e a peça, por meio de um
nível adequado de turbulência, pressão e vazão, é
mais eficaz para o processo de refrigeração do tipo
tangencial plana.
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REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 79-85
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Formalização do
Processo de Projeto
Mecânico Visando ao uso
em Sistemas Inteligentes
de Projeto Auxiliado por
Computador (ICAD)
Formalization of the Mechanical Design Process Aiming to the
Use of Intelligent Computer Aided Design Systems (ICAD)
FRANCISCO JOSÉ DE ALMEIDA
Universidade Metodista de Piracicaba
[email protected]
RESUMO – Este artigo apresenta uma proposta para formalização e implementação de sistemas computacionais de auxílio
ao processo de projeto conceitual. Ele identifica e localiza o projeto conceitual nas fases do projeto mecânico e define os
passos componentes do projeto conceitual. Neste artigo, escolhe-se o Método de Projeto Sistemático como método a ser
implementado no sistema computacional. Paralelamente, conclui-se pela necessidade do uso de sistemas inteligentes para
auxílio ao projeto conceitual, sugerindo suas características desejáveis, bem como seus componentes. O artigo levanta a
necessidade de trabalhar-se com base de conhecimentos, propondo soluções para a manipulação dos vários tipos de
informações envolvidas. O artigo, por fim, apresenta um exemplo de aplicação desses conceitos, através de um programa
computacional, em que tais conceitos são implementados.
Palavras-chave: METODOLOGIA DE PROJETO
POR COMPUTADOR.
– PROJETO SISTEMÁTICO – SISTEMAS INTELIGENTES DE PROJETO AUXILIADO
ABSTRACT – This work proposes the formalization and implementation of auxiliary computational systems within the
Conceptual Design Process. It identifies and localizes the conceptual design within the mechanical design phases, and
defines the concern conceptual design procedures. In this work, the Systematic Design Method is elected as the method
to be implemented by the computational system. Also, it concludes for the necessity of the use of intelligent computer
aided design systems within the conceptual design, sugesting its related desirable characteristics and components. This
work rises up the necessity of the existence of knowledge bases, proposing solutions for the manipulation of the several
kinds of envolved information into the conceptual design. Finally, this work presents an application example, a computational system that applies that concepts.
Keywords: DESIGN METHODOLOGY – SISTEMATIC DESIGN – INTELLIGENT COMPUTER AIDED DESIGN SYSTEMS.
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INTRODUÇÃO
O
uso do computador como ferramenta no
projeto mecânico, e em outras áreas do
conhecimento, já tem apresentado vantagens
inquestionáveis, constituindo um processo irreversível. Utilizando-se uma divisão clássica do processo
de projeto mecânico, verifica-se que o uso dos computadores teve início pela fase de detalhamento do
projeto, com os denominados sistemas de CAD,
passando posteriormente para a fase de anteprojeto,
com os sistemas de CAE, e chegando agora à fase de
projeto conceitual, com os sistemas de ICAD, ou
Intelligent Computer Aided Design. A principal dificuldade no uso de sistemas computacionais no projeto conceitual é que esta fase caracteriza-se pelo uso
da inteligência do projetista, na proposição e avaliação das soluções variantes para a necessidade identificada. Tal característica exige a criação de uma base
de conhecimentos, além das bases de dados usuais
utilizadas num sistema de manufatura, gerando o
respectivo aumento na complexidade do sistema de
gerenciamento dessas informações.
Vários estudos na área têm sido feitos por equipes distribuídas por vários países. Entre estas, podem
ser citados os trabalhos pioneiros de Akman (1990),
Chandrasekaran (1990), Gero (1990), Tomiyama &
Yoshikawa (1987) e Yoshikawa (1989).
Fases do projeto
Pode-se dividir a etapa de projeto em quatro
fases: a Identificação das Necessidades, o Projeto
Conceitual, o Anteprojeto e o Projeto Detalhado
(fig. 1) (Pahl & Beitz, 1996).
Na Identificação das Necessidades, busca-se
coletar as informações referentes aos requisitos a
serem cumpridos pela futura solução. Essa fase
envolve a elaboração de especificações detalhadas
ou de lista de requerimentos para a necessidade
levantada.
No Projeto Conceitual, são estabelecida a
estrutura funcional das soluções idealizadas e buscados os princípios de solução e sua combinação em
variantes de conceito de solução para a necessidade
já identificada. As variantes das soluções devem ser
julgadas com base em critérios específicos, definidos
na fase anterior. Essa fase finda pela eleição do
melhor conceito de solução (solução conceitual).
No anteprojeto, determina-se a distribuição
física do sistema que soluciona o problema, com
verificação de funções, tamanho e compatibilidade
espacial desse sistema. São delimitadas as características globais e principais do projeto, tais como peso,
tamanho e custo final aproximado e potência necessária.
Finalmente, no Detalhamento desmembra-se
o projeto em subelementos, até os mais simples.
Nessa fase procede-se à definição das dimensões
finais de todos os elementos componentes do projeto.
Projeto Conceitual
No Projeto Conceitual trabalha-se com as
necessidades do cliente e as restrições externas e
internas, objetivando-se definir o Conceito da Solução (fig. 2). Para tanto, seguem-se os passos:
a) abstração, a fim de identificar os problemas
essenciais;
b) estabelecimento das estruturas funcionais
da solução geral;
Fig. 1. Fases do projeto (Pahl & Beitz, 1996).
Identifica o
das
Necessidades
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ICAD
CAE
CAD
Intelligent Computer
Aided Design
Computer
Aided Engineering
Computer
Aided Design
Ante
Projeto
Projeto
Detalhado
Projeto
Conceitual
Projeto
(Solu o)
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Fig. 2. Fase de projeto conceitual.
Restri es
Necessidades
do Cliente
Projeto Conceitual
c) definição das subfunções e busca pelos
princípios da solução;
d) combinação de princípios de solução;
e) seleção das combinações viáveis;
f) geração das variantes dos conceitos;
g) e avaliação das variantes da solução (Pahl
& Beitz, 1996: 58).
Esse processo é eminentemente criativo, além de
exigir do projetista o conhecimento de várias disciplinas diferentes, tais como tecnologia, ciências, psicologia, estética, sociologia, história e planejamento (Nadin
& Novak, 1987: 149; Wang et al., 1995: 260).
A NECESSIDADE DE
IMPLANTAÇÃO DE
UM SISTEMA DE ICAD
Como se sabe, o computador se presta muito
bem para a execução de tarefas repetitivas e de
rotina, apresentando nessas condições vantagens
indiscutíveis frente ao desempenho humano. Entre
outras capacidades, pode-se citar a repetição sistemática e invariável de um mesmo processo indefinidamente, a não ocorrência de cansaço ou de
desgaste físico e a execução das tarefas com maior
rapidez (Iida, 1990).
Na área de projeto, e devido a essas características, a aplicação do computador iniciou-se pela fase
de detalhamento. A geração dos desenhos de detalhes, os denominados desenhos para a fabricação,
pode ser facilmente roteirizada e esta é, sem dúvida,
uma tarefa repetitiva. Traçar linhas, círculos, cotar e
executar hachuras são tarefas nas quais o computador vence o homem. Essa é a grande razão para a
enorme explosão no oferecimento de sistemas de
CAD comerciais e para o interesse da gerência em
iniciar a automação do projeto por tal fase.
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Conceito da
Solu o
Voltando-se para a fase de anteprojeto, verifica-se a ocorrência de algumas tarefas repetitivas,
como a execução de vários cálculos matemáticos.
Surgem os sistemas de CAE como, por exemplo, os
sistemas baseados no Método dos Elementos Finitos. Esses sistemas, porém, não podem prescindir da
direção de um bom projetista, que define, com seu
conhecimento, bom senso e criatividade, alterações
de projeto, com base nas respostas apresentadas
pelos sistemas computacionais.
Finalmente, chega-se ao projeto conceitual.
Nessa fase, a criatividade é fator preponderante
para se definir, ou descobrir, a melhor solução para
uma necessidade identificada. O projetista trabalha
constantemente com dados imprecisos e incompletos e deve preencher essas lacunas com seu conhecimento anterior de projetos semelhantes e da área de
conhecimento relacionada, bem como com sua criatividade. Ele usa sua inteligência. Considerando-se a
necessidade do uso do computador em todas as etapas, a fim de prover as vantagens já amplamente
citadas para o processo de manufatura integrado –
tais como otimização do processo, aumento da qualidade, agilidade de execução do processo e controle
e facilidade de interação através da integração –,
conclui-se que se deve buscar também uma forma
de aplicar a informática nessa fase.
Pelos passos contidos no projeto conceitual,
conclui-se que, para se poder aplicar o computador,
deve-se dotá-lo de inteligência, e aqui se passa a utilizar
dos conceitos da Inteligência Artificial. Esta possibilita
o modelamento do processo de raciocínio empregado
pelos especialistas e a representação simbólica adequada dos conceitos e relações do domínio do problema. Numa definição já clássica, Inteligência
Artificial pode ser entendida como: “the study of how
to make computers do things at which, at the moment,
people are better” (Rich & Knight, 1991: 1).
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Fig. 3. Relação entre projetista e sistema de ICAD (Nadim & Novak, 1987: 160).
A o
Projetista
Sistema ICAD
Sugest o
Sem a Inteligência Artificial, não é possível trazer para um sistema computacional o procedimento
complexo utilizado durante essa fase do projeto.
APLICAÇÃO DE SISTEMAS
INTELIGENTES
O uso de sistemas inteligentes no projeto conceitual pode ocorrer basicamente por duas linhas: o
Projeto Automatizado, em que o sistema computacional trabalha autônomo, e o Projeto Auxiliado por
Computador Inteligente (sistemas de ICAD), no qual
o sistema computacional interage com o projetista
(fig. 3). A atual tecnologia não permite o desenvolvimento de um sistema de projeto automatizado. O
que se tem hoje em dia são sistemas de projeto auxiliado por computador inteligente, sublinhando-se o
termo “projeto auxiliado”. Em outras palavras, é função do homem aplicar a criatividade. Ao computador
fica a função de assistir ao projetista em todos os estágios e objetos do projeto (Xiao et al., 1995: 107).
Paralelamente, sistemas inteligentes computacionais devem apresentar um domínio muito bem
definido. São, na verdade, Sistemas Especialistas.
Esse fato advém da grande complexidade resultante
do desenvolvimento de um sistema inteligente computacional generalista, em virtude principalmente
da enorme base de conhecimentos necessária para
tanto. Assim como os especialistas são capacitados a
resolver problemas de um domínio específico, apresentando baixo desempenho na resolução de problemas de outras áreas, os sistemas inteligentes
computacionais também têm de ter limitada a sua
área de atuação, de modo a serem de construção
viável e apresentarem desempenho satisfatório
(David, 1987: 57; Durkin, 1994: 33; e Bento et al.,
1997: 1.017).
Da mesma forma que os especialistas, os sistemas especialistas baseiam-se na qualidade e na completeza da sua base de conhecimentos. É agindo
sobre esta base, retirando dela as informações pertinentes, que o sistema especialista soluciona o pro90
blema. São, na verdade, Sistemas Especialistas
Baseados em Conhecimento.
REQUISITOS PARA
SISTEMAS DE ICAD
Sistemas de ICAD devem apresentar uma
série de requisitos de funcionalidade, visando o bom
desempenho do projetista que o utiliza. Assim,
segundo Kimura (1989: 31), pode-se citar entre
esses requisitos os seguintes:
a) criar e manter múltiplos trabalhos simultâneos: essa característica empresta ao sistema flexibilidade e o aproxima do
trabalho usual do projetista, ligado normalmente a mais de um projeto ao mesmo
tempo;
b) permitir esboços das soluções: sendo o
projeto um processo eminentemente iterativo, o projetista muitas vezes inicia com
um esboço, melhorado durante o processo
de projeto mecânico;
c) tratar e manter restrições: as restrições do
projeto devem ser inseridas no sistema de
ICAD, que as utilizará para filtrar e avaliar
os conhecimentos contidos em sua base;
d) verificar a integridade dos dados: a fim de
impedir conflitos ou omissões que poderiam prejudicar o desenvolvimento do projeto;
e) sugerir soluções apropriadas ao projetista:
o sistema de ICAD deve trabalhar como
uma extensão da memória do projetista,
informando-o sobre as soluções viáveis
para um problema;
f) avaliar o projeto: o sistema de ICAD deve
avaliar as opções de soluções, auxiliando o
projetista na escolha de uma delas;
g) simular soluções e resultados: através da
simulação, o projetista pode verificar com
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mais confiança a aplicabilidade da solução
proposta;
h) efetuar a transição do conceitual para o
detalhamento: automatizando essa característica, o sistema de ICAD libera o projetista de tal preocupação, permitindo que
ele se aprofunde na busca criativa do conceito da solução;
i) produzir documentação e justificativas:
visando garantir a confiabilidade do sistema, este deve apresentar as justificativas
para as suas proposições, as quais podem
ser analisadas pelo especialista, que avalizará ou não a resposta.
Componentes de
Sistemas de ICAD
Tomando por base a definição dos sistemas de
ICAD, e considerando-se que eles devem trabalhar
conjuntamente com o homem, define-se como seus
componentes básicos:
a) procedimentos para aquisição e verificação
de conhecimentos;
b) representação e controle de esquemas de
conhecimentos (base de conhecimentos);
c) aplicação do conhecimento de projeto
(motor de inferência);
d) interface inteligente com o usuário (fig. 4)
(Schmitt, 1990: 290). Essa interface deve
ser gráfica, já que é esta a linguagem com
que o projetista está acostumado a trabalhar. Mais especificamente, pode-se definir
como desejável para a interface características de modelagem em duas e em três
dimensões, trabalho com ícones e com
esquemas, hipermídia e possibilidade de
simulação e de manutenção da história do
processo de projeto mecânico (Waldron,
1991: 72-74; e Roy et al., 1995: 571).
A característica de aquisição e verificação de
conhecimentos objetiva, num sistema de ICAD,
municiá-lo da base de conhecimentos necessária
para auxiliar o projetista, além de permitir-lhe atualizá-la e completá-la. Tal sistema deve servir como
um repositório de conhecimentos disponíveis ao
homem e, mais ainda, apresentados em auxílio ao
processo mental humano. A característica de
representação e controle do conhecimento tem
por finalidade manter esse conhecimento organizado dentro do sistema computacional, facilitando
sua recuperação e manutenção. Como já foi dito, é
sobre essa base de conhecimentos que o sistema
computacional infere para deduzir as soluções. Por
fim, a característica de aplicação do conhecimento
de projeto é o cerne do sistema de ICAD. Ele precisa conter os procedimentos de raciocínio relativos ao seu domínio, inferindo corretamente sobre
a base de conhecimentos, a fim de cumprir sua
função básica, qual seja, a de auxiliar o projetista
no seu trabalho criativo.
ESCOLHA DA METODOLOGIA
DE PROJETO CONCEITUAL
Os procedimentos de raciocínio, no caso do
processo de projeto mecânico, formam o método
de projeto. Assim, para se desenvolver um sistema
de ICAD, deve-se embutir nele um determinado
método de projeto. Esse método precisa ser suficientemente conhecido e formalizado, de modo a viabilizar a sua utilização (Smithers et al., 1989: 296).
Fig. 4. Estrutura de um sistema especialista (adaptado de Durkin, 1994: 28).
Motor de
Infer ncia
Base de
Conhecimentos
Aquisi o de
Conhecimentos
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Interface
gr fica
com o
Usu rio
Fatos
Conhecimentos
Usu r io
(projetista)
Sugest o
(Explana o)
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O método de projeto a ser implementado tem
de apresentar, entre outras, as seguintes características (Pahl & Beitz, 1996: 4-5):
a) encorajar a abordagem direta;
b) estimular a inventividade e o entendimento;
c) facilitar a aplicação de soluções conhecidas;
d) ser compatível com o processamento
eletrônico;
e) ser de fácil ensino e aprendizado;
f) refletir o moderno gerenciamento, ou seja,
reduzir a sobrecarga, economizar tempo, prevenir erros humanos e manter o interesse.
O Método de Projeto Sistemático (Pahl &
Beitz, 1996) é um método baseado em conceitos e
princípios físicos, aplicável a diferentes tipos de atividades e independente de oportunidade, intuição ou
brilhantismo. Além de apresentar as características
acima citadas, tal como sugerido pelo próprio nome, é
um método suficientemente formalizado e, portanto,
indicado para a implementação em sistemas de ICAD.
Sem deixar de ser altamente interativo, esse
método compõe-se de cinco etapas bem definidas, a
saber:
a) redução por abstração do problema para
termos gerais;
b) ênfase à seleção do melhor processo físico;
c) separação do problema em subproblemas,
procurando-se mais de uma solução para
cada um deles;
d) produção de várias soluções por meio da
combinação e realocação das subssoluções;
e) avaliação das soluções.
IMPLEMENTAÇÃO DE
SISTEMA DE ICAD
Talvez a fase que exige maior trabalho seja a
de implementação da base de conhecimentos. Ela
pode ser dividida em duas etapas: a de geração da
base, com a aquisição do conhecimento inicial, e a
de representação desse conhecimento. A geração da
base requer a busca do conhecimento junto aos
especialistas na área. Esse processo exige a aplicação
de várias técnicas de psicologia para a transmissão e
recepção do conhecimento entre especialista e res92
ponsável pelo desenvolvimento do sistema inteligente. Quanto à representação do conhecimento,
pode-se iniciar sua discussão afirmando-se que não
há um modelo ideal de representação (Bernus &
Letray, 1987: 44) e que, no caso específico de sistemas de ICAD, a representação de dados geométricos é necessária (Dixon & Cunningham, 1989:
137; e Dai et al., 1997: 514).
O fato de não haver modelo ideal para a representação do conhecimento já sugere a complexidade
dessa área. Vários modelos podem ser utilizados,
cada qual com suas vantagens e desvantagens, cada
qual apresentando melhor compatibilidade com um
determinado tipo de conhecimento, modelos tais
como uso de lógica pura, regras de produção, redes
semânticas, frames, scripts e lógicas não monotônicas
(Durkin, 1994; e Barr & Feigenbaum, 1990).
Considerando-se pois um sistema computacional integrado, ele apresenta três tipos de bases de
dados: dados gráficos (por ser o desenho a linguagem
comum na área), dados para manufatura (em complemento à base de dados geométrica, traz informações como acabamento superficial, material utilizado,
tratamento térmico, entre outras) e base de conhecimentos (para os sistemas inteligentes, tais como
ICAD no projeto conceitual e outros sistemas especialistas que atuem nas demais etapas da manufatura).
Esse fato traz problemas adicionais para a perfeita
integração dentro do sistema computacional, desde o
projeto até a fabricação. Propõe-se, então, a organização da base de dados e de conhecimentos em três
partes distintas, inter-relacionadas, conforme a figura
5. Trabalhar com bases de dados distintas facilita o
seu tratamento e, por conseguinte, a sua integração.
Fig. 5. Bases de dados/conhecimentos no processo de
projeto mecânico.
Sistema de Projeto
ICAD / CAE / CAD
Base de dados Base de dados
Base de
de Geometria de Manufatura Conhecimentos
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A fase de aplicação do conhecimento de projeto (geração do motor de inferência), sendo o já
citado cerne do problema, implica a implementação
da metodologia escolhida em um sistema computacional. O desenvolvimento dessa fase permite observar
algumas características comuns no desenvolvimento
de sistemas computacionais inteligentes: a grande
iteração existente e o desenvolvimento paulatino do
sistema. Diferente do desenvolvimento de sistemas
computacionais procedurais, quando a resposta do
sistema é definida antes de começar a implementá-lo,
no desenvolvimento de sistemas computacionais
declarativos inicia-se com um sistema contendo uma
pequena base de conhecimentos e algum raciocínio
embutido, ampliando-se iterativamente ora um ora
outro, até se obter a qualidade de resposta considerada desejável para o sistema em desenvolvimento.
Por ele ser “inteligente”, normalmente não se sabe de
antemão a resposta que o sistema computacional vai
encontrar para um problema proposto.
UM EXEMPLO DE APLICAÇÃO
Vem sendo desenvolvido pelo autor um sistema
de ICAD com o objetivo de obter, verificar e adaptar
know-how na área de sistemas inteligentes voltados
para o projeto. Em seu desenvolvimento tem sido
aplicadas e verificadas todas as considerações já apresentadas, quanto a abrangência do sistema, facilidades
disponíveis no programa, levantamento de conhecimentos relacionados, implementação e verificação de
uma base de conhecimentos, implementação e verificação de um processo de raciocínio, disponibilização
de uma interface amigável e escolha e implementação
de um método de projeto.
Com o propósito de facilitar seu desenvolvimento, esse sistema de ICAD está dividido em duas
partes, a saber, a primeira envolvendo as fases de
definição das necessidades e busca da solução conceitual, e a segunda tratando da etapa de avaliação e
preparação para o anteprojeto. As duas partes interligam-se e apresentam total integridade entre seus
dados específicos.
Por ser um trabalho de pesquisa, procurou-se
projetar um sistema o mais genérico possível, a fim de
que ele servisse como um embrião para futuros sistemas mais complexos, completos e específicos, sem
esquecer, porém, que se trata de um sistema para aplicação na atividade de projeto. Essa generalidade é
conseguida com uma representação de conhecimento
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bem esquematizada, em forma de regras de produção,
e com possibilidades de atualização e inclusão de
novos conhecimentos pelo próprio usuário. Assim,
para atuação em uma área de conhecimento, basta ao
usuário inserir conhecimentos relativos a essa área. Tal
inserção é implementada de maneira simples e direta
pelo usuário, sem necessidade de se alterar o código
fonte do programa. A escolha da representação do
conhecimento mediante regras de produção deve-se
ao fato de esse tipo de raciocínio ser mais comumente
utilizado por projetistas.
O uso da primeira parte do sistema inicia com
a definição do problema, em termos de um binômio
verbo-predicado (fig. 6). Com isso, fica garantida a
sua abstração em termos genéricos, segundo a metodologia de projeto empregada. Permite-se a caracterização tanto do objeto a receber a ação quanto da
ação (ou verbo) propriamente dita. Isso significa, em
outras palavras, definir o escopo do problema de projeto a ser resolvido pelo programa computacional
considerando todas as restrições do problema, tais
como rapidez necessária, ruído admissível, custo
admissível (características da ação) e peso, tamanho e
fragilidade do objeto (características do objeto). Todas
as características podem ser gerenciadas pelo próprio
usuário, que tem condições de as incluir, excluir e
alterar suas propriedades (fig. 7).
Na seqüência, de acordo com a metodologia
de projeto utilizada, o sistema executa interativamente a separação do problema em subfunções
(funções parciais) e depois em funções elementares, identifica os princípios físicos relacionados e
sugere uma solução para o problema proposto na
forma de componentes físicos reais, fazendo ainda
a recombinação deles, com o objetivo de prover
maior leque de soluções para avaliação posterior
(fig. 8). Nesse processo, o sistema aplica o conhecimento de projeto contido em sua base de conhecimento, gerenciável pelo usuário (fig. 7). Esse gerenciamento engloba inclusive a manipulação das
regras internas do problema, o que oferece uma
flexibilidade muito grande no escopo coberto pelo
programa. Incluindo na base de conhecimentos os
fatos relativos a uma certa área de conhecimento,
e também as regras que regem as relações entre
essas características, pode-se alterar, ou abranger,
o escopo de aplicabilidade do programa computacional.
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Fig. 6. Definição do problema em termos de verbo-predicado.
Fig. 7. Módulos para gerenciamento da base de conhecimentos.
CONCLUSÕES
Este trabalho objetivou formalizar um método
de projeto com vistas à aplicação em sistemas computacionais de auxílio ao processo de projeto conceitual.
Para tanto, verificou-se a necessidade de sistematizar
o processo de projeto conceitual, possibilitando a sua
transferência para o computador. Na eleição do
método utilizado, optou-se pelo Método de Projeto
Sistemático, em razão das suas características intrínsecas. Apresentadas as fases do projeto, com detalhamento dos passos do projeto conceitual e das suas
características, concluiu-se a necessidade de os sistemas computacionais apresentarem inteligência,
94
valendo-se, então, da inteligência artificial. Esse fato
gerou uma nova dificuldade: a necessidade de trabalhar com sistemas de informação contendo bases de
dados e bases de conhecimentos. A solução foi estruturar essas informações em três tipos: base de dados
geométricos, base de dados de manufatura e base de
conhecimentos para os sistemas especialistas baseados
em conhecimento. Um exemplo de aplicação, na
forma de programa computacional, foi desenvolvido
e apresentado, demonstrando a validade das
considerações feitas anteriormente. Esse programa,
ainda em desenvolvimento, aplica todos os conceitos
discutidos, com bons resultados.
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Fig. 8. Aplicação da metodologia de projeto pelo sistema computacional.
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96
Dezembro • 2001
00_C&T18.book Page 97 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Resinas Bismaleimidas:
obtenção e potencial
de aplicação no setor
aeroespacial
Bismaleimide Resins: on production and application at aerospace field
MICHELLE LEALI COSTA
Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA)
[email protected]
MIRABEL CERQUEIRA REZENDE
Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA)
[email protected]
SÉRGIO FRASCINO MÜLLER DE ALMEIDA
Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA)
[email protected]
RESUMO – As bismaleimidas (BMIs) são resinas termorrígidas utilizadas como matrizes poliméricas que resistem a altas
temperaturas de trabalho. Os engenheiros de materiais buscam cada vez mais novas matrizes poliméricas que ofereçam
alto grau de versatilidade em termos de disponibilidade, menor massa específica, resistência mecânica e, em alguns casos,
menor custo quando comparadas aos metais e suas ligas. A maioria das novas oportunidades de aplicação para as BMIs
surgiu com os materiais compósitos, devido à demanda da indústria aeronáutica e espacial por materiais que resistissem a
temperatura de serviço contínuo elevada (150°C) em meio úmido, condições que as BMIs atendem bem. Assim, o presente trabalho mostra as principais áreas de aplicação, as características químicas e mecânicas das BMIs mais comuns, juntamente com seus parâmetros de processamento.
Palavras-chave: BISMALEIMIDAS – POLIIMIDAS – COMPÓSITOS AVANÇADOS.
ABSTRACT – The bismaleimide (BMI) thermosetting resins are considered as excellent organic matrices regarding the
requirements of high-temperature applications. Design engineers are demanding more organic materials as matrix resin
because they offer a higher degree of versatility in terms of availability, weight savings, strengths, and, in some cases, cost,
in comparison to metals and metal alloys. One of the requirements for polymeric reinforced composites to be used in aircraft and aerospace applications is to withstand a continuous service temperature of 150°C in moist environment, for
which BMIs are well suited. This paper presents the main characteristics of this area, showing the chemical characteristics
of the more common bismaleimides together with their processing parameters and uses.
Keywords: BISMALEIMIDES – POLIIMIDES – ADVANCED COMPOSITES.
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INTRODUÇÃO
A
inovação tecnológica nas áreas de química de
novos polímeros e de polímeros modificados
está cada vez mais intensa, em resposta às
inúmeras solicitações de um mercado cada vez mais
exigente quanto às propriedades dos materiais. A
evolução da síntese e da aplicação dos polímeros
sintéticos na engenharia de materiais teve início em
torno de 1900, tendo como importante aplicação o
uso como matriz de compósitos reforçados com
fibras. Vários exemplos típicos podem ser citados,
como os poliésteres e os vinil ésteres reforçados com
fibras de vidro, de aplicação nas indústrias automotiva e marítima, e as resinas epóxi, amplamente utilizadas em compósitos estruturais na indústria
aeroespacial.
Entretanto, a utilização dos polímeros e dos
compósitos poliméricos é limitada à sua temperatura de serviço contínuo, podendo-se citar as epóxi,
no setor aeroespacial, que têm seu uso limitado a
cerca de 130°C. Na tentativa de superar essa limitação de aplicação, principalmente no setor aeroespacial, trabalhos de inovação tecnológica na área de
química de polímeros têm sido realizados e, como
resultado desses esforços, surgiram as resinas bismaleimidas (BMI). Essa classe de polímeros exibe uma
capacidade térmica que lhe permite suportar temperaturas de serviço superiores às da epóxi (~150°C),
combinando um número singular de elevadas propriedades, como excelentes propriedades físicas a
altas temperaturas e em meios úmidos, baixa inflamabilidade e maiores valores de temperatura de
transição vítrea (Gillham, 1986; Hayes, 1984, e
Lee, 1991).
A primeira referência à homo e/ou copolimerização da BMI na literatura é de 1968 e trata de
uma patente, resultando em uma resina com maiores valores de densidade de ligações cruzadas e de
temperatura de transição vítrea (Stenzenberger,
1989). A primeira indústria a produzir a BMI
comercialmente, a partir do metileno-dianilina
(MDA), foi a Rhône-Poulenc Inc., em 1968 (ASM
International, 1995). Surgia, então, o que foi chamado de primeira geração de BMI, correspondente
aos anos de 1968-1987. A segunda geração apareceu somente no final dos anos 80, em 1987, com o
início da tenacificação das BMIs. Em torno de
98
1991, surgiu a terceira geração das BMIs, apresentando maior resistência ao impacto, maiores valores
de módulo elástico e de elongação e a introdução de
novos agentes tenacificantes (Rewiew by Hexcel,
1998).
A maioria das novas oportunidades de aplicação para as bismaleimidas surgiu com os materiais
compósitos (matriz/reforço), que, por sua vez, tiveram seu mercado aquecido devido à demanda das
indústrias aeronáutica e espacial por materiais que
resistissem a temperaturas de serviço contínuo mais
elevadas (~150°C) em meio úmido, condições que
as resinas epóxi não atendem (Gillham, 1986;
Hayes, 1984, e Lee, 1991). Porém, as BMIs, assim
como as epóxi e a maioria das resinas termorrígidas,
exibem fragilidade. Existem na literatura inúmeros
estudos para tornar essa classe de resina mais tenaz,
a fim de ampliar sua aceitação em aplicações estruturais. Isso inclui reações de adição com copolímeros, como os monômeros vinílicos, alílicos,
diminas, resinas epóxi e elastômeros (ASM International, 1995; Review by Hexcel, 1998; Delaware
Composite Design, 1990; Gawin, 1990; Nesbitt,
1996; Xuanzhang et al., 1990; Ho, 1990; Meissonier et al., 1989; Gebhardt, 1989; Konarski, 1989;
Qusen et al., 1989, e Boyd et al., 1990).
Em função do crescente interesse por essa
classe de resinas, principalmente nos setores
aeronáutico e espacial, o presente trabalho mostra
as rotas mais utilizadas de síntese dos polímeros
bismaleimídicos, os principais agentes tenacificantes
usados no ajuste de suas propriedades físico-químicas e mecânicas e o seu potencial de aplicação na
área de materiais compósitos.
ASPECTOS MERCADOLÓGICOS
Custos
Os dados referentes aos preços correspondem
ao ano de 1997: BMIs ~US$ 8,00/kg; Epóxi ~US$
5,00/kg. Já os pré-impregnados de BMIs com: tecido
de carbono ~US$ 100,00/kg; tecido de vidro ~US$
50,00/kg e a fita unidirecional de fibra de carbono
(tape) ~US$ 60,00/kg (Review by Hexcel, 1998).
Mercado
As bismaleimidas participam de vários segmentos da indústria, produzindo as mais diversas
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peças de aplicação estrutural, atendendo mercados
como os de eletroeletrônicos, automobilístico e
aeroespacial (Stenzenberger et al., 1989). Os principais consumidores de BMIs com ou sem reforço são
Aerospatiale, Boeing Aircraft, Boeing Helicopter,
British Aerospace, Dornier, Du Pont, General Electric, Pratt and Whitney, McDonell Douglas, entre
outros (Review by Hexcel, 1998).
Aplicações
Apesar de as poliimidas apresentarem propriedades atrativas, seu custo ainda é elevado quando
comparado à maioria das resinas disponíveis no
mercado, como as epóxi e as poliésteres (Delaware
Composite Design, 1990). Assim, a utilização das
poliimidas termorrígidas está restrita, principalmente, ao processamento de compósitos estruturais
que são submetidos a temperaturas de serviço superiores a 130°C, simultaneamente a altos níveis de
umidade (Stenzenberger et al., 1989; ASM International, 1995; Review by Hexcel, 1998, e Delaware
Composite Design, 1990).
As duas famílias de imidas que encontram
numerosas aplicações e têm sido arduamente pesquisadas nesses últimos anos são as nadimidas
(PMR-15, Larc 160 etc.) e as bismaleimidas (Stenzenberger et al., 1989; ASM International, 1995;
Review by Hexcel, 1998, e Delaware Composite
Design, 1990). O primeiro exemplo comercial de
poliimidas de adição foram as bismaleimidas, introduzidas pelo grupo Rhône-Poulenc, e as poliimidas
P13N, desenvolvidas pela TRW/NASA (Serafini et
al., 1973) e introduzidas pela Ciba-Geigy. Hoje,
provavelmente as bismaleimidas são as poliimidas
comerciais mais vastamente usadas para aplicação
em compósitos (Kourtides, 1988). A poliimida
P13N, por outro lado, vem lentamente desaparecendo do mercado comercial, e é representada pelas
PMR-15, em que a sigla PMR significa Polimerização de Reagentes Monoméricos (Bagget et al., 1990;
Bowles, 1990; Cler, 1990, e Kranbuehl et al.,
1990).
As formulações de bismaleimidas têm sido
constantemente modificadas para adequar suas condições de processamento às limitações das autoclaves hoje disponíveis nas indústrias aeroespaciais.
Assim, o ciclo de cura das BMIs é muito semelhante,
senão o mesmo, das resinas epóxi, necessitando, em
geral, apenas de uma posterior pós-cura (Stenzenberger et al., 1989; ASM International, 1995;
Review by Hexcel, 1998, e Delaware Composite
Design, 1990).
Fig. 1. Exemplos de aplicação de compósitos carbono/epóxi e carbono/BMI em aviões comerciais (Lee, 1991).
Dutos de ar condicionado
- fibra de carbono/BMI
Trens de direção
- fibra de vidro S/epóxi
- fibra de carbono/BMI
Dutos S
- fibra de
carbono/epóxi ou BMI
Piso interno
- Alumínio/fibra de
vidro/epóxi
- Colméias
Radome
- fibra de carbono/BMI
Portas de entrada
- fibra de vidro/BMI
- fibra de vidro/epóxi
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Pás dos estatores
- fibra de vidro/BMI
- fibra de vidro/epóxi
Nacele
- fibra de carbono/epóxi
- fibra de carbono/BMI
99
00_C&T18.book Page 100 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Logo no início de sua produção, as BMIs
foram utilizadas em placas de circuitos eletrônicos e
aplicações similares, em que as resistências à umidade
e às altas temperaturas de serviço eram necessárias,
sendo a fragilidade da resina um fator não considerado. Hoje, as BMIs são empregadas principalmente
na manufatura de peças estruturais com exigências de
estabilidade a altas temperaturas de serviço e tenacidade adequada ao esforço, como naceles (casulos da
turbina), dutos de pré-resfriamento, dutos de entrada,
saídas da turbina, mísseis, barreiras contra incêndio,
pás da turbina, trens de direção, pás dos estatores,
guias dos estatores, capô da turbina, reversores de
potência, portas de acesso, radomes militares e
comerciais e unidades de potência auxiliar, entre
outras (Delaware Composite Design, 1990) (fig.1).
Obtenção
Como um dos resultados dos estudos de
obtenção da bismaleimida com melhores propriedades térmicas, tem-se a imidação de 2 mols de anidrido maleico com 1 mol de diamina, formando,
inicialmente, o ácido da bismaleimida. Esse ácido é
conhecido como ácido N,N’arileno bismaleimídico e
é produzido, geralmente, a temperatura ambiente em
presença de cloreto de metileno, tolueno ou dimetilformamida. A desidratação ou a imidação do ácido
podem ser feitas sob várias condições, por exemplo,
usando o anidrido acético com uma certa quantidade
de acetato de sódio como catalisador, na temperatura
de 90°C, sob refluxo constante em dimetilformamida, ou simplesmente aquecendo o ácido
bismaleimídico (Lee, 1991, e Delaware Composite
Design, 1990) (fig.2). Esse tipo de processo gera a bismaleimida com 65-75% de grau de pureza. Vários
subprodutos são também formados, como isoimidas,
acetanilidas etc. (Stenzenberger et al., 1989).
Outro processo de obtenção de BMI é a partir
dos reagentes iniciais anidrido maleico e diamina
sem o isolamento do produto intermediário – que
no caso é o ácido –, sob refluxo constante de ácido
acético ou dimetilformamida (Lee, 1991, e Delaware Composite Design, 1990) .
Uma gama de diaminas tem sido utilizada
para preparar as BMIs. Essas diaminas podem ser
aromáticas ou alifáticas, e cada uma delas produzirá
um tipo diferente de bismaleimida. A tabela 1 mostra algumas estruturas das principais BMIs (Stenzenberger et al., 1989).
100
Como pode ser observado, existem inúmeros
tipos de bismaleimidas. Entretanto, uma das mais
utilizadas é a BMI produzida a partir do metileno
dianilina (MDA) com o anidrido maleíco, formando a bis(4-maleimidadifenil)metano (MDA
BMI), mostrada na primeira linha da tabela 1.
Como mencionado anteriormente, a Rhône-Poulenc Inc. foi a primeira companhia a produzir a
MDA BMI. Essa BMI tem as desvantagens de possuir alta temperatura de processamento (igual a
156°C) e de não fluir facilmente no seu estado não
curado; porém, possui temperatura de transição
vítrea (Tg) de 300°C e sua temperatura de
decomposição é de 460°C. O material curado é
muito frágil, característica que pode ser atribuída
tanto à estrutura final do material curado quanto à
pequena distância molecular das ligações cruzadas
(Lee, 1991). Esse material é ideal para o uso em
indústria eletrônica, em que o processo de polimerização mais utilizado é a cura dos pré-impregnados
de BMIs em prensas térmicas. Entretanto, para as
aplicações aeroespaciais, em que o uso de autoclave
é predominante no processo de cura dos laminados,
essa resina não foi aceita devido às altas temperaturas de cura (Lee, 1991).
Fig. 2. Esquema geral da preparação da bismaleimida
(Lee, 1991, e Delaware Composite Design, 1990).
Assim, para permitir a processabilidade em
autoclaves e reduzir o caráter frágil da MDA BMI
associado à sua estrutura rígida, o grupo Rhône-Poulenc desenvolveu uma blenda de BMIs, que foi chamada de Kerimids. A Kerimid 601 é uma mistura de
três BMIs: MDA BMI, uma cadeia estendida de BMI
resultante da reação de adição de Michael de MDA
BMI e MDA e uma BMI baseada na 2,5-diaminotolueno, como mostra a figura 3. Na literatura, encontram-se inúmeros trabalhos (Iijima et al., 1997;
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Abbate et al., 1997; Katiyar et al., 1997; Liang et al.,
1997, e Musto et al., 1998) mostrando novas formulações, cada vez mais sofisticadas e com propriedades
superiores às já existentes.
Propriedades Mecânicas
As propriedades que tornam as bismaleimidas
atrativas são mecânicas, uma vez que sua principal
aplicação é estrutural. Sabe-se, porém, que as BMIs
têm excelente compatibilidade com outros polímeros, superior resistência a umidade, não liberam
voláteis, não são inflamáveis e apresentam baixa
toxicidade (Review by Hexcel, 1998, e Delaware
Composite Design, 1990).
As propriedades de sistemas de resina puros
estão resumidas na tabela 2. As propriedades típicas
de resistência a tração das poliimidas a temperatura
ambiente apresentadas na tabela 2 estão na mesma
faixa das epóxi normalmente utilizadas em aplicações de alto desempenho: resistência a tração na
faixa de 48 a 58 MPa, módulo de tração de aproximadamente 3241 MPa e elongação menor que
6,9% (Delaware Composite Design, 1990). As propriedades de flexão da bismaleimida mostradas na
tabela 2 são mantidas aproximadamente constantes
até a temperatura de 250°C (60% de retenção da
resistência a fletir, 78% de retenção do módulo) e
também a temperaturas baixas -200°C (Delaware
Composite Design, 1990).
As propriedades mecânicas do sistema de
resina pura e de laminados com bismaleimida e
reforço unidirecional de fibras de carbono, tipo
T300, têm sido avaliadas na literatura (Harruff et
al., 1979). A retenção das propriedades de compressão e de cisalhamento são de 80 a 100% a temperatura de 232°C (Delaware Composite Design, 1990).
Uma comparação entre as propriedades de
resistência à delaminação e a condições ambientais foi
feita entre duas resinas disponíveis comercialmente
por Wilkins (1981): laminado de fibras de carbono/
bismaleimida e laminado de fibras de carbono
impregnado com resina epóxi de última geração. A
poliimida utilizada foi a V-378A (U.S. Polymeric) e a
epóxi foi a 3501-6, da Hércules. Uma das conclusões
desse estudo é que a bismaleimida resiste aproximadamente 40°C a mais a condições ambientais adversas do que a resina epóxi (Delaware Composite
Design, 1990). Os testes incluíram tenacidade a fratura tanto em modo I como em modo II, temperatura de transição vítrea (Tg) seca e úmida, resistência
térmica, propriedades de cisalhamento, compressão
quente/úmido, e apenas no ensaio de tenacidade a
fratura modo II é que a epóxi teve valor cerca de
50% superior (Delaware Composite Design, 1990).
Tab. 1. Estruturas de alguns substituintes (-R-) das bismaleimidas (Stenzenberger, 1989).
O
O
C
C
N-R-N
C
O
O
TFUSÃO (˚C)
TMAX(˚C) (1)
H (J/G) (2)
CH2
155-157
235
198
CH2
195-196
ND
ND
210-212
ND
ND
150-154
298
187
149-151
328
206
GRUPAMENTO –R-
H2C
CH3
CH2
H3C
C 2H6
CH2
H6C 2
CH3
H 6C2
C2H6
CH2
H 6C2
C
C2H6
(1)Pico de cura máximo exotérmico obtido por calorimetria diferencial de varredura (DSC)
(2)Entalpia de polimerização
ND – não disponível
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Tab. 2. Propriedades de sistemas de resina puros de poliimidas (Delaware Composite Design, 1990).
BISMALEIMIDA
PROPRIEDADES
PMR-15 (K
ERIMID 601)
Módulo de tração (MPa)
Resistência à tração (MPa)
Elongação (%)
Resistência à compressão (MPa)
Resistência à flexão (MPa)
Módulo de flexão (MPa)
Tg (˚C)
Índice de oxigênio
3241
55,8
187,5
350
-
48,3-58,6
< 6,9
200
97
3137
35
Odom & Adams (1983) compararam sistemas puros de resina bismaleimida e epóxi estrutural
(Hércules 3501-6) em ensaios de fadiga (R = 0,1) e
estimaram que o nível máximo de tensão a temperatura ambiente para um ciclo de vida de 106 foi em
torno de 41,3 MPa para a poliimida e 34,4 MPa
para a epóxi, ambas em condições secas. A 88°C, o
nível de tensão foi de aproximadamente 29,6 MPa
para a bismaleimida e de 24,8 MPa para a epóxi.
Ensaios de fadiga torsional deram os mesmos resul-
tados, ou seja, propriedades superiores para o sistema de resina bismaleimida (nível de tensão na
faixa de 27-42 MPa). As BMIs possuem valores de
tenacidade a fratura cerca de 1,6 superiores à epóxi.
Propriedades Térmicas
Uma das principais razões para a escolha da
resina bismaleimida como matriz polimérica é o satisfatório desempenho das suas propriedades em elevadas
temperaturas. Muitos trabalhos têm avaliado a retenção
das suas propriedades em temperaturas altas tanto por
curtos quanto por longos períodos de exposição (Delaware Composite Design, 1990). As características estruturais que tornam a resina resistente a elevadas
temperaturas por curto período de tempo não são as
mesmas que a tornam resistente a exposição por longos
períodos de tempo e/ou resistente aos efeitos oxidativos
a que está sujeita no tempo de vida de serviço (Delaware Composite Design, 1990). Em geral, estudos têm
determinado aproximadamente a temperatura de serviço de 250°C para as bismaleimidas e de 320°C para
PMR (Delaware Composite Design, 1990).
Tab. 3. Desempenho do laminado de carbono/bismaleimida sob ensaio de tempo de vida (USA Polymeric V-378A/T-300,
Vf = 64-66%) (Delaware Composite Design, 1990).
TEMPERATURA
DO
ENSAIO (˚C)
PROPRIEDADES
AMBIENTE (22)
177
232
[0]s, Resistência à flexão,
Inicial
6 meses a 177˚C
% do valor inicial
6 meses a 232˚C
% do valor inicial
9 meses a 232˚C
% do valor inicial
Resistência ao ILSS*,
Inicial
9 meses a 232˚C
% do valor inicial
Perda de massa, %
6 meses a 177˚C
6 meses a 232˚C
9 meses a 232˚C
MPa
2054,7
2206,4
107
1896,1
92
1840,9
90
MPa
108,9
106,9
98
1689,3
1868,5
111
-
1606,5
1241,1
77
1413,5
88
69,6
-
53,1
59,3
112
0,57
2,3
3,4
*ILSS – resistência ao cisalhamento interlaminar
Carbono/epóxi (Delaware Composite Design, 1990)
121˚C – Nenhum efeito por 10.000 horas. A degradação da matriz começou entre 10.000 e 25.000 horas e foi severa depois de 50.000 horas.
177˚C – A degradação da matriz começou entre 1.000 e 5.000 horas.
Carbono/bismaleimida (Delaware Composite Design, 1990)
232˚C – Nenhum efeito por 25.000 horas, decresce a resistência à tração observada depois de 50.000 horas mas não observa-se a degradação da matriz.
102
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Dados de um laminado disponível comercialmente de bismaleimida/carbono (V378A, da U.S
Polymeric) são mostrados na tabela 3. Apesar da
exposição à temperatura de 232°C por nove meses, o
laminado retém 88% da resistência a fletir inicial e
100% da resistência ao cisalhamento, com apenas
3,4% de perda de massa (Delaware Composite
Design, 1990).
Resistência às condições ambientais
A resistência química das poliimidas é geralmente boa, tanto para as obtidas por condensação
quanto para as conseguidas por adição. Os solventes
orgânicos típicos encontrados em algumas partes de
aeronaves têm pouco ou nenhum efeito sobre as
poliimidas. Entretanto, o anel poliimídico é susceptível à hidrólise alcalina na presença de bases fortes
até mesmo em temperatura ambiente (Delaware
Composite Design, 1990). Dine-Hart et al. (1971),
por exemplo, mostraram que em uma condensação
típica da poliimida ocorre uma lenta hidrólise em
presença de hidróxido de sódio a temperatura
ambiente, gerando um sal de sódio do ácido poliimídico inicial, que pode ser convertido em poliimida de baixo peso molecular. A completa hidrólise
da diamina e do tetra-ácido ocorreu a 80°C.
A degradação de um laminado de fibra de
vidro com poliimida obtida por condensação observada quando o mesmo é imerso em água entre 60100°C pode ser atribuída tanto ao efeito plastificante na resina quanto ao dano irreversível atribuído à hidrólise da resina (Deiasi et al., 1974). O
coeficiente de difusão varia com a temperatura, e é
relativamente constante com a variação da umidade
relativa a temperatura constante, como esperado. O
conteúdo de umidade de equilíbrio a 95% de RH
(umidade relativa) é cerca de 32 a 38% maior que
para os laminados com matriz epóxi MY-720. Em
adição, os coeficientes de difusão da bismaleimida
são maiores que aqueles de laminados de epóxi (por
um fator de 8 a 10 vezes), com aproximadamente a
mesma dependência da temperatura (Mauri et al.,
1978; Hough et al., 1998, e Heisey et al., 1995).
Propriedades elétricas
As poliimidas têm, geralmente, boas propriedades elétricas, incluindo alta resistência dielétrica,
baixa constante dielétrica e baixo fator de dissipação, mantendo essas propriedades em uma larga
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 97-107
faixa de temperatura e freqüência (Delaware Composite Design, 1990).
O uso de resinas bismaleimidas em placas de
circuitos impressos (PCB) com exigência de resistência
a elevada temperatura tem se tornado cada vez mais
amplo, substituindo com maior eficiência as placas
padrão de epóxi FR-4. A química das resinas bismaleimidas permite seu uso na modificação de resinas
epóxi usuais, visando aumentar a temperatura de
transição vítrea e abaixar o coeficiente de expansão
térmica (CTE), sem o sacrifício das propriedades elétricas e da resistência química da resina epóxi inicial
(US Patent, French Patent e Japanese Patent).
Inflamabilidade e Fumaças
O comportamento dos materiais em relação à
resistência a chama é muito dependente da composição química do polímero e dos aditivos que compõem a formulação do material polimérico, em que
será vital a dependência da presença de aditivos retardantes de chama. Assim, dentro desse conceito, as
poliimidas são classificadas como polímeros inerentemente retardantes de chama. As poliimidas, junto
com as resinas fenólicas, são resinas poliméricas com
bom desempenho de inflamabilidade e fumaças, ou
seja, possuem boas propriedades de inflamabilidade
que atendem ao setor aeronáutico, com baixos valores de inflamabilidade e liberação de fumaças (Lee,
1991; e ASM International, 1995).
Na simulação do comportamento de inflamabilidade dos materiais poliméricos puros ou aditivados (com retardantes de chama, podendo ou não
conter cargas minerais e/ou reforços), podem ser
realizados vários tipos de ensaios, abrangendo principalmente dois aspectos: 1. a avaliação da resistência a chama, em geral verificando a ignição (estado
dos corpos em combustão), a tendência a continuar
queimando e a característica da queima, incluindo a
presença de fumaça; e 2. a determinação dos tipos
de subprodutos de combustão do material polimérico, fundamentalmente observando se há emissão
de produtos voláteis tóxicos. Entre os testes de resistência a chama, destacam-se os testes ASTM D
2863, como índice de oxigênio, o teste de inflamabilidade dos Underwriters Laboratories, o UL 94, e
o teste de densidade de fumaça realizado em câmara
de fumaça, normalizado pelo National Bureau of
Standards (NBS) (Lee, 1991; e ASM International,
103
00_C&T18.book Page 104 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
1995). Segundo a norma ASTM D 2863, quanto
maior for o índice de oxigênio, melhor é a resistência intrínseca a chama do polímero. Os valores de
índice de oxigênio para as bismaleimidas e PMRs
estão na faixa de 30-35%, para os sistemas de resina
puros, enquanto as epóxi estão na faixa de 15%. E
o desempenho da bismaleimida em uma câmara de
fumaça segundo a norma NBS, mostrado na figura
3, é significativamente melhor que o da maioria das
outras resinas (máximo de densidade de fumaça de
5-10 contra 90-150 para a epóxi) (Delaware Composite Design, 1990).
Fig. 3. Concentração de fumaças em uma câmara
segundo norma NBS, para alguns termoplásticos e
termorrígidos (sistemas puros de resina, exceto
onde há observação do reforço, exposição: 2,5
watts/cm2) (Delaware Composite Design, 1990).
A Ciba-Geigy desenvolveu um agente tenacificante muito eficiente para as resinas BMIs. O agente
é um dialil que reage com as duplas ligações da
maleimida, como ilustrado na figura 4. Seu nome
comercial é Matrimid 5292 (formulado XU 292), e
possui a estrutura química mostrada na figura 4.
Embora a Technochémie também tenha desenvolvido adjuvantes similares, eles aumentam muito o
peso molecular, uma vez que são estruturas muito
densas, como pode ser observado na figura 5.
Outros agentes tenacificantes muito utilizados são o
divinil benzeno e o trialil isocianato, que estão disponíveis na US Polymeric V378 e na Hexcel F178,
respectivamente (ASM International, 1995).
Fig. 4. Agente tenacificante Matrimid 5292 (Lee, 1991).
H2C=CH
CH2
CH2
H2 C=CH
CH3
HO
C
OH
Fumaça, D s
CH3
Fig. 5. Agentes tenacificantes da BMI (Stenzeberger et
al., 1989), da Technochémie.
H2C=CH
CH 2
CH 2
SO2
O
H2C=CH
O
O
H2C=CH
Cargas e Reforços
Sabe-se que as resinas bismaleimidas são termicamente estáveis. Entretanto, no passado, o seu
processo de cura era bem difícil, devido às altas temperaturas de processamento, o que, em geral, conferia materiais muito frágeis. Assim, com a finalidade
de eliminar as microtrincas associadas aos materiais
frágeis, agentes tenacificantes têm sido incorporados
à produção das resinas BMIs. Além disso, para facilitar a impregnação dos tecidos e fibras para a produção de pré-impregnados, são adicionados
diluentes à formulação de resina. Alterações nas
quantidades dos reagentes usados na produção das
BMI também têm forte influência nas propriedades
mecânicas do produto final (ASM International,
1995; Yerlikaya et al., 1996; Morgon et al., 1997;
Favre et al., 1996; e Liang et al., 1997).
104
CH2
O
O(
C
O
C
O )n
H2 C=CH
CH2
Além desses adjuvantes, as bismaleimidas são
muito utilizadas com reforços, que podem estar na
forma de tecidos ou fitas unidirecionais. Aliás, como
mencionado anteriormente, essa é a principal forma
de aplicação das resinas BMI, ou seja, como matéria-prima para a produção de compósitos estruturais com atrativas propriedades mecânicas. Os
reforços utilizados são, em geral, fibras de vidro,
aramida e/ou carbono na forma de tecidos ou de
fibras unidirecionais (Review by Hexcel, 1998).
Processamento e
Concepção de Peças
As reações de cura ou de polimerização da bismaleimida ocorrem por meio da ligação dupla da
maleimida. A reação é de adição sem a evolução de
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voláteis. Assim, as BMIs são resinas termorrígidas
que, após a cura, possuem alta densidade de ligações
cruzadas, tornando-se insolúveis e infusíveis. A ausência ou presença de co-reagentes (agentes de cura,
adjuvantes etc.) é responsável pelo caminho da reação de cura das BMIs (ASM International, 1995).
A homopolimerização da BMI pode ser termicamente induzida. Essa cura térmica gera um
produto final com alta densidade de ligações cruzadas e uma estrutura muito frágil. A homopolimerização das BMIs pode ser observada na figura 6
(ASM International, 1995).
As BMIs, como visto anteriormente, têm sido
curadas com diversos tipos de reagentes. Os mais utilizados são as diaminas, as olefinas e os ésteres dicianato (ASM International, 1995). As diaminas, bem
como outros tipos de monômeros nucleofílicos,
copolimerizam com a BMI por meio da reação de
adição de Michael, como mostra a figura 7. Geralmente, a diamina está presente em menor quantidade
na mistura em relação à BMI. O produto resultante é
essencialmente uma cadeia estendida de BMI ainda
capaz de fazer novas ligações cruzadas por meio da
funcionalidade da maleimida. Entretanto, o grau de
flexibilidade da molécula está restrito à cadeia principal do oligômero (ASM International, 1995).
Fig. 6. Homopolimerização das bismaleimidas (ASM
International, 1995).
O
A reação de cura das bismaleimidas com as olefinas ocorre de maneira muito similar à reação de
homopolimerização. As olefinas contendo um ou
mais grupos vinílicos conferem ao produto final um
material com grande número de ligações cruzadas.
Quando os grupos divinílicos estão adjacentes ao anel
aromático, o mecanismo de cura se passa por meio
de um intermediário cíclico, isto é, pela reação de
Diers-Alder, como pode ser visto na figura 8. Deve-se
mencionar que os diluentes dialílicos, como o 0,0’dialil bisfenol-A, são muito mais comuns que os diluentes vinílicos (divinil benzeno), e conferem ao produto final melhor tenacidade a fratura (ASM
International, 1995).
Outro grupo que tem sido utilizado na cura de
BMIs é o éster dicianato. A estrutura final do produto
curado pode ser complicada, dependendo das quantidades estequiométricas utilizadas. Diversas possibilidades de reações de cura podem ocorrer simultânea
ou independentemente (ASM International, 1995).
Fig. 8. Seqüência de reação das BMIs com compostos
divinílicos aromáticos (ASM International, 1995).
O
O
C
C
CH = CHR1
+ R1CH=CH
N-R-N
C
C
O
O
Reação de DiersAlder
CH = CHR1
R1CH=CH
R
R1
O
C
C
N
O
R
N- R-N
C
N
O O
O
O
R
N
O
O
O
N
R
R2
C
N
O
N
O O
O O
N
O
N
O
O
O
O
Fig. 7. Reação de Michael para as bismaleimidas (ASM
International, 1995).
O
O
C
C
O
C
C
C
C
O
O
R
N
+
N -R-N
C
R1CH=CH
O
Formação de
lig. cruzadas Polímero
Infusível,
insolúvel
H
NH2-R1-NH2
C
O
O
O
O
H
C
C
H
N
H
1
R
H
O
H
C
N
(
N-R-N
N
C
C
O
O
H
H
H
H
O
H
O
C
N
C
H
O
C
R1 ) N
n
H
R1
N
C
C
O
O
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 97-107
Produtos, Fabricantes
e Nomes Comerciais
Ao longo do texto já foram mencionados
alguns nomes comerciais e fabricantes das resinas
bismaleimidas, sendo os principais listados na tabela
4, a seguir.
105
00_C&T18.book Page 106 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Tab. 4. Principais fornecedores e nomes comerciais de
BMIs.
NOME COMERCIAL
FABRICANTE
DO PRODUTO
Rhône-Poulenc Inc.
Technochémie GMbH
BTL Specialty Resins and
Ciba-Geigy Corporation
Mitsubishi Petrochemical
Company
Hexcel Corporation
Narmco
US Polymeric
Fiberite
Quantum Materials
Kerimids
Kinel
FE 70003
H 353
M 751
MDA BMI
Matrimid 5292
BMI polifuncional
Pré-impregnados: F-178, F650,
F652, F655, F6552
5245C
V-378A
987
Q-Bond
CONCLUSÃO
Como pode ser visto ao longo do texto, a química das formulações e sua adequada manipulação
são ferramentas muito valiosas na busca de novos
produtos para a engenharia de materiais. As bismaleimidas são um exemplo disso. Os estudos envolvendo essa classe de polímeros foram motivados,
principalmente, pelo objetivo de tentar superar as
deficiências que as epóxi apresentam nas suas propriedades. As bismaleimidas são uma classe de resinas relativamente recente dentro do grupo das
poliimidas. Apesar de, no início da sua produção,
serem resinas poliméricas muito frágeis, hoje, com a
adição de agentes tenacificantes, as BMIs ganharam
maior resistência a impacto. Em geral, têm propriedades semelhantes às das resinas epóxi – sendo, em
alguns casos, superiores a elas –, e possuem a grande
vantagem de ter alta temperatura de serviço.
O seu processamento é semelhante ao das
resinas epóxi, necessitando apenas de uma posterior
pós-cura. As bismaleimidas estão disponíveis no
mercado por parte de vários fornecedores, tanto em
forma de sistemas de resina pura quanto combinada
com diversos tipos de reforços, porém a preços um
pouco mais elevados do que os das epóxi. No
entanto, as bismaleimidas têm se mostrado muito
adequadas ao processamento de compósitos avançados, principalmente no que se refere à sua utilização indústria aeroespacial.
Agradecimento
À Fapesp, pelo suporte financeiro (processo 98/10079-1).
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108
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00_C&T18.book Page 109 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Análise de Séries
Temporais de Vazão e
de Precipitação na
Bacia do Rio Piracicaba
Time Series Analysis of Flow and Precipitation of the Piracicaba River Basin
JULIANO DANIEL GROPPO
Centro de Energia Nuclear na Agricultura-USP
[email protected]
LUIZ CARLOS EDUARDO MILDE
Centro de Energia Nuclear na Agricultura-USP
[email protected]
MANUEL ENRIQUE GUAMERO
Centro de Energia Nuclear na Agricultura-USP
[email protected]
JORGE MARCOS DE MORAES
Centro de Energia Nuclear na Agricultura-USP
[email protected]
LUIZ ANTONIO MARTINELLI
Centro de Energia Nuclear na Agricultura-USP
[email protected]
RESUMO - O grande desenvolvimento urbano e agroindustrial das últimas décadas na bacia do Rio Piracicaba foi responsável pelo aumento do consumo de água, assim como pela degradação da qualidade desse recurso natural. Esse quadro é
agravado pela reversão de 31 m3/s pelo Sistema Cantareira (Sabesp), para o abastecimento da Grande São Paulo, e pela
falta de tratamento do esgoto doméstico e industrial. Considerando que a racionalização do uso da água e a preservação
desse recurso natural exigem uma melhor compreensão do comportamento hidrológico e suas interações com as atividades antrópicas, analisou-se aqui mudanças no comportamento da vazão e da precipitação ao longo dos anos. A análise
estatística foi realizada com os dados anuais do período de 1947 a 1996, utilizando uma versão mais recente do banco de
dados do projeto Piracena (CENA, USP). Foram detectadas como estatisticamente significativas uma diminuição na vazão
dos rios Atibaia e Jaguari, assim como um aumento na precipitação no mesmo período.
Palavras-chave: HIDROLOGIA – ANÁLISE DE TENDÊNCIAS – SÉRIES TEMPORAIS.
ABSTRACT - The last decade development of urban, industrial and agricultural activities within Piracicaba river basin, has led
to a significant increase in water demand and decrease in water quality. This scenario was deteriorated by 31 m3/s of water
transfer from the Piracicaba river basin to the metropolitan region of São Paulo city (Sistema Cantareira, Sabesp) and the
small amount of urban and industrial waste treatment.Considering that enhancement of water resources preservation and
management needs a better comprehension of the hydrologic behavior and its interactions with anthropogenic activities,
analysis of temporal patterns of flow and precipitation in the basin were carried out. Statistical analysis on yearly data, from
1947 to 1996, were performed using a more recent Piracena project database. Statisticaly significant changes were detected,
as runoff decrease on Atibaia and Jaguari rivers and a precipitation increase at the same period.
Keywords: HYDROLOGY – TREND ANALYSES – TIME SERIES.
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 109-117
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INTRODUÇÃO
O
acelerado desenvolvimento urbano e agroindustrial de algumas regiões do Brasil tem
provocado a degradação dos seus recursos
hídricos em seus aspectos quantitativos e qualitativos, principalmente devido ao uso da água e do solo
sem um gerenciamento adequado e à falta de tratamento de esgoto urbano e industrial.
A bacia do Rio Piracicaba (12.400 km2) é um
exemplo típico dessa situação preocupante. Apresenta um crescimento populacional e industrial maior
que a média do país – e devido ao seu acelerado
desenvolvimento tornou-se um pólo de diversas atividades altamente consumidoras e degradadoras dos
recursos hídricos, em que o aumento do consumo de
água e das cargas de esgotos urbanos e agroindustrial,
as mudanças no uso da terra e a transferência de água
interbacias são as principais causas passíveis de alterarem tanto a quantidade quanto a qualidade dos
recursos hídricos (Moraes et al., 1998 e 1997; Martinelli et al. 1999, e Krush et al., 1997).
Uma das intervenções antrópicas mais marcantes no comportamento hidrológico da bacia foi a
implantação do Sistema Cantareira (Sabesp), responsável pela reversão interbacias de 31 m3/s para
abastecimento da Região Metropolitana de São
Paulo. Esse sistema compreende quatro reservatórios localizados nas cabeceiras dos formadores do
Rio Piracicaba (Jaguari, Jacareí, Atibainha e Cachoeira) (fig.1) e um reservatório situado na cabeceira
do Rio Juqueri (fora da bacia do Piracicaba). Os
reservatórios encontram-se interligados por túneis e
canais até a Estação de Tratamento de Água do
Guaraú, na cidade de São Paulo.
Sua construção começou em 1965 e foi
implantada em duas etapas: a primeira compreendeu o aproveitamento dos rios Juqueri, Atibainha e
Cachoeira, com início das operações em 1975, fornecendo a vazão nominal de 11 m3/s para São
Paulo. Em 1976 começaram as obras relativas à
segunda etapa, com início de operação em 1981,
compreendendo as barragens dos rios Jaguari e
Jacareí, e que propiciaram a adução de 33 m3/s, dos
quais 31 m3/s provêm da bacia do Rio Piracicaba e 2
m3/s da bacia do Rio Juqueri (DAEE, 1986, e
Sabesp, 1989). A população atendida pelo sistema
integrado saltou da cifra de 60% da população presente em 1975 para 95%, em 1984 (Sabesp, 1989).
110
Nesse quadro, uma avaliação mais aprofundada do comportamento das séries temporais de
vazão e precipitação faz-se necessária, no intuito de
obter informações sobre o comportamento natural
e as influências das ações antrópicas em seu funcionamento que possam auxiliar na compreensão e no
gerenciamento dessa bacia de drenagem.
Para o estudo, foram selecionadas as séries de
vazão e precipitação dos rios Camanducaia, Atibaia,
Jaguari e Piracicaba (fig. 1). A análise das séries temporais oferecem a possibilidade de verificar a variabilidade natural, assim como o efeito de barragens
no escoamento. Neste estudo, a análise de séries
temporais dos dados foi realizada utilizando testes
de tendência e de ruptura, ou seja, a versão seqüencial do teste de Mann-Kendall e o teste de Pettitt.
O objetivo deste trabalho é atualizar os estudos de séries temporais do projeto Piracena do Centro de Energia Nuclear na Agricultura (Cena-USP),
buscando avaliar a persistência do impacto do Sistema Cantareira na vazão dos rios, a evolução da
tendência positiva na precipitação e completar a
metodologia com teste de independência dos valores da série temporal.
MATERIAIS E MÉTODOS
As séries de vazão e precipitação foram escolhidas pela existência de dados completos no período de estudo, entre 1947 e 1996, e pela
distribuição espacial na bacia. As estações utilizadas
foram as mostradas na figura 1. A metodologia consistiu nos seguintes passos:
1) verificação da independência da série temporal através do teste de autocorrelação
serial. Esse teste é necessário já que, sem
ele, tendências inexistentes podem ser
detectadas (Clarke & Brusa, 1997, e
Marengo & Tomasella, 1996). Com essa
finalidade, foi utilizado o software MHTS
Mcleod-Hipel Time Series Package
(Mcleod & Hipel, 1994);
2) estudo exploratório: versão seqüencial do
teste de tendência de Mann-Kendall e teste
de mudanças bruscas nas médias de Pettitt
(Sneyers, 1975; Pettitt, 1979; Goossens &
Berger, 1986; Demarée, 1990, e Moraes et
al., 1997 e 1998).
Dezembro • 2001
00_C&T18.book Page 111 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
O teste seqüencial de Mann-Kendall, proposto inicialmente por Sneyers (1975), é um teste
estatístico não paramétrico, no qual, na hipótese da
estabilidade de uma série temporal, os valores
devem ser independentes e a distribuição de probabilidades deve permanecer sempre a mesma (série
aleatória simples).
Considerando uma dada série temporal Yi de
N termos (1 ≤ i ≤ N) a ser analisada, esse teste consiste no somatório mostrado na equação 1:
tn = ΣNi=1 mi
(1)
onde:
tn = somatório
mi = número de termos da série, relativo ao valor Yi,
cujos termos precedentes (j < i) são inferiores
ao mesmo (Yj < Yi)
N = número de termos da série
Para N grande, sob hipótese nula Ho de
ausência de tendência, tn apresentará uma distribuição normal com média E(tn) e variância Var(tn),
conforme mostrado nas equações 2 e 3:
E(tn) = N(N-1)/N
(2)
Var(tn) = N(N-1)(2N+5)/72
(3)
Testando a significância estatística de tn para a
hipótese nula usando um teste bilateral, ela pode ser
rejeitada para grandes valores da estatística u(tn)
através de:
u(tn) = (tn- E(tn))/(var(tn))1/2
(4).
O valor da probabilidade α1 é calculada por
meio de uma tabela da normal reduzida, tal que α1 =
prob(u  > u(tn) ). Sendo α0 o nível de significância
do teste (α0 = 0,05 e 0,1 para significante e levemente significante, respectivamente), a hipótese nula
é aceita se α1 > α0. Caso a hipótese nula seja rejeitada, significará a existência de tendência significativa,
sendo que o sinal da estatística u(tn) indica se a tendência é positiva (u(tn) > 0) ou negativa (u(tn) < 0).
Em sua versão seqüencial, a equação 4 é calculada no sentido direto da série, partindo do valor
de i = 1 até i = N, gerando a estatística u(tn), e no
sentido inverso da série, partindo do valor de i = N
até i = 1, gerando a estatística u*(tn). A interseção
das duas curvas geradas representa o ponto aproxiREVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 109-117
mado de uma mudança brusca na média, se ele
ocorre dentro do intervalo de confiança -1,96 < u
(tn) < 1,96 (1,96 correspondendo a α0 = 0,05).
Nesse teste, uma tendência é constatada
quando a curva u(tn), que é o teste aplicado no sentido direto da série temporal, cruza os limites de
confiança de 90% e 95%, representados pelas
linhas horizontais pontilhadas e contínuas, respectivamente.
O teste de Pettitt (Pettitt, 1979), também não
paramétrico, utiliza uma versão do teste de MannWhitney, em que se verifica se duas amostras Y1,...,
Yt e Yt+1,..., YT são da mesma população. A estatística Ut,T faz uma contagem do número de vezes
que um membro da primeira amostra é maior do
que um membro da segunda, e pode ser escrita:
U t, T = U t – 1, T +
∑j
T
sgn (Yt – Yj)
= 1
(5)
para t = 2,…., T
onde: sgn(x) = 1 para x > 0; sgn(x) = 0 para
x = 0; sgn(x) = -1 para x < 0.
A estatística Ut,T é então calculada para os
valores de 1 ≤ t ≤ T e a estatística k(t) do teste de Pettitt é o máximo valor absoluto de Ut,T. Essa estatística localiza o ponto em que houve uma mudança
brusca na média (changing point) de uma série temporal, e a sua significância pode ser calculada aproximadamente pela equação:
p ≅ 2 exp {-6k(t)2/(T3 + T2}
(6).
RESULTADOS
As séries não apresentaram autocorrelação
serial significativa. Portanto, os valores são independentes e os testes estatísticos podem ser aplicados.
A forma gráfica do teste de Mann-Kendall
para a precipitação, com os dados do posto D3027, em Monte Alegre do Sul, é apresentada na
figura 2a. Ela mostra aplicações diretas (1947-1997
- u(t), linha espessa) e inversa (1997-1947 - u*(t),
linha padrão) na série temporal. As linhas horizontais representam os intervalos de confiança bilaterais
de 90% (linha pontilhada) e 95% (linha padrão). A
tendência é significativa quando os valores absolutos
de u(t) são maiores que os limites de confiança, e a
mudança brusca na média da mesma pode ser localizada pela interseção das curvas u(t) e u*(t) se ela
111
00_C&T18.book Page 112 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
ocorre dentro dos valores críticos do intervalo de
confiança. Nesse caso, observa-se uma tendência
crescente da precipitação, tornando-se significativa
em torno de 1990 – mas as três interseções tornam
difícil a localização de uma mudança brusca na
média. O ponto de ruptura (mudança brusca na
média) dessa série temporal pode ser detectado mais
claramente utilizando-se o teste estatístico de Pettitt,
através do valor máximo absoluto de k(t) (fig. 2b),
ocorrendo no ano de 1972, com significância aproximada de 0,013.
Esses testes aplicados aos outros postos de
vazão e precipitação da bacia e suas análises estatísticas estão sumariados nas tabelas 1 e 2, onde:
T+++ e T++ mostram a tendência positiva com
níveis de significância α0 = 0,05 e 0,1, respectivamente, seguido do ano em que esta tornou-se significativa; T+ ns é a tendência positiva, mas não
significativa; T--- e T-- são tendências negativas com
níveis de significância α0 = 0,05 e 0,1, respectiva-
mente, seguido do ano em que ela tornou-se significativa; T- ns, tendência negativa não significativa;
ano de ocorrência de mudança brusca CP; ns, não
significativo.
Os principais resultados são: 1. a precipitação
apresenta uma tendência positiva no período estudado (ver exemplo na fig. 2); e 2. as mudanças bruscas nas médias, quando ocorreram, foram
detectadas principalmente no início dos anos 70.
A vazão do Rio Camanducaia (postos 3D-001
e 3D-002) apresenta tendência positiva, mas não
significativa. Os testes de Mann-Kendall e Pettitt
aplicados para a vazão do posto 3D-001 podem ser
observados nas figuras 3a e b respectivamente.
Pode-se notar que a tendência positiva é ligeiramente inferior ao limite de confiança de 90%, ou
seja, levemente significativa, mostrando que esse rio,
sem a influência do Sistema Cantareira, apresenta
um comportamento que acompanha a tendência da
precipitação.
Fig. 1. Bacia do Rio Piracicaba, localização, principais tributários, estações fluviométricas e pluviométricas e esquema de
reservatórios do Sistema Cantareira.
Bacia do Rio Piracicaba (12.400 km2)
Brasil
Bacia do rio Piracicaba (12400 km2)
Estado São Paulo
N
W
cidade de
São Paulo
Corumbatai
E
S
4D-021
Piracicaba
4D-007
4D-001
CESP-Carioba
CESP-Piracicaba 4D-009
3D-006
estações fluviométricas e códigos
0
112
Jaguari
3D-009
3D-003 Atibaia
estações pluviométricas
reservatórios
Camanducaia
3D-001
35
70
cidade de
São Paulo
transferência de água
inter-bacias
(Sistema Cantareira)
Dezembro • 2001
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Tab. 1. Sumário das análises estatísticas da vazão.
VAZÃO
MANNKENDAL
PETTITT
T- - - 1989
CP 1984
T---1978
CP ns
T+ ns
CP ns
T+ ns
CP ns
CP 1983
SL 0.0033
CP ns
SL ns
CP ns
SL ns
CP ns
SL ns
T--- 1978
CP ns
CP ns
SL ns
T- ns
CP ns
T--- 1996
4D-009
CP ns
CESP
T- ns
Piracicaba CP 1948
CP ns
SL ns
CP ns
SL ns
CP ns
SL ns
ESTAÇÃO
3D-009
3D-006
3D-001
3D-002
3D-003
4D-007
BACIA
Jaguari
POSTO
Buenópolis
Bairro da
Ponte
Camandu- Fazenda da
caia
Barra
Camandu- Monte Alecaia
gre do Suk
DesembarAtibaia
gador Furtado
Atibaia
Piracicaba Artemis
Atibaia
Paulínia
Piracicaba Piracicaba
Tab. 2. Sumário das análises estatísticas de precipitação.
PRECIPITAÇÃO
ESTAÇÃO
D3-009
D3-018
D3-027
D3-052
D4-012
D4-036
D4-043
D4-044
D4-052
D4-059
D4-060
D4-061
E3-099
MANNKENDAL
T+ ns
CP ns
T ns
CP ns
T+++ 1990
CP 1980/80
T+ ns
CP ns
T+++ 1994
CP 1989
T+ ns
CP ns
T+++ 1973
CP ns
T+ ns
CP ns
T+ ns
CP ns
T+ ns
CP ns
T+++ 1975
CP ns
T+ ns
CP ns
T+++ 1995
CP 1986
PETTITT
CP ns
SL ns
CP ns
SL ns
CP 1972
SL 0.013
CP ns
SL ns
CP 1975
SL 0.046
CP ns
SL ns
CP 1956
SL 0.052
CP ns
SL ns
CP ns
SL ns
CP ns
SL ns
CP 1971
SL 0.019
CP ns
SL ns
CP 1982
SL 0.054
BACIA
POSTO
Jaguari
Martin
Francisco
Jaguari
Vargem
Camandu- Monte Alecaia
gre do Suk
Jaguari
Pedreira
Corumbatai Rio Claro
Corumbatai Grauna
Corumbatai Corumbatai
Piracicaba Campinas
Jaguari
Usina Ester
Corumbatai
Santa
Gertrudes
Piracicaba São Pedro
Piracicaba Artemis
Atibainha
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 109-117
Nazaré
Paulista
A resposta da vazão é atenuada com relação à
precipitação devido à influência dos outros componentes do ciclo hidrológico, principalmente o armazenamento no solo e a evapotranspiração.
Os rios sob a influência do Sistema Cantareira
apresentam tendências negativas, sendo elas altamente significativas perto das barragens. O efeito
negativo é atenuado rio abaixo.
O rio sobre o qual a influência da barragem é
mais forte é o Jaguari (posto 3D-009), cujos testes
são apresentados nas figuras 4a e b. Nesse rio, a tendência negativa tornou-se estatisticamente significativa a partir de 1989, e uma mudança brusca na
média foi detectada no ano de 1984, na aplicação
do teste de Mann-Kendall (fig. 4a), e no ano de
1983, na aplicação do teste de Pettitt, mostrando
coerência nos resultados.
A análise dos resultados para o Rio Atibaia
(postos 3D-006 e 3D-003), apresentados nas figuras 5a e b, mostram também tendências negativas,
que se tornam significativas a partir de 1978 nos
dois postos analisados. Nenhuma mudança brusca
na média foi detectada na aplicação dos testes.
A tabela 3 mostra os valores percentuais das
médias de vazão antes e depois do início da retirada
de água pelo Sistema Cantareira, a partir de 1975
no Rio Atibaia, e a partir de 1981 no Rio Jaguari.
Nessa comparação, um valor anômalo de vazão em
1983, provocado pelo fenômeno El Niño, foi substituído pela média após o início da retirada de água.
Pode-se notar nessa tabela que na maioria dos rios
houve um decréscimo na média, sendo o Rio
Jaguari o que sofreu maior impacto, com um
decréscimo na vazão de 37,7% no período estudado. Já nos rios Atibaia e Piracicaba, a diminuição
na média foi em torno de 18% e 10%, respectivamente. Esses resultados estão qualitativamente coerentes com os de Moraes et al. (1997), nos quais se
obteve 52%, 24% e 21% de decréscimo de vazão
para os rios Jaguari, Atibaia e Piracicaba, utilizando
modelos estocásticos que incluíam a precipitação
como entrada. As diferenças numéricas são devidas
à diferença de período e metodologia empregada.
113
00_C&T18.book Page 114 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
Fig. 2. Exemplo dos testes de Mann-Kendall (a) e Pettitt (b) para a precipitação no posto D3-027.
estatisticas u(t),u*(t)
D3-027
4
3
2
1
u*(t)
u(t)
0
-1
-2
-3
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
anos
D3-027
estatistica k(t)
100
0
-100
-200
-300
-400
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
anos
Fig. 3. Exemplo dos testes Mann-Kendall (a) e Pettitt (b) para a vazão do Rio Camanducaia no posto 3D-001.
3d-001
estatisticas u(t), u*(t)
3
2
u*(t)
1
0
-1
u(t)
-2
-3
1940
1950
1960
1 970
1980
1990
20 00
anos
3 d-001
estatistica k(t)
200
100
0
-100
-200
-300
19 40
1950
1 960
1970
1980
1990
20 00
anos
114
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Fig. 4. Exemplo dos testes Mann-Kendall (a) e Pettitt (b) para a vazão do Rio Jaguari no posto 3D-009.
estatisticas u(t),u*(t)
3d-009
4
2
u(t)
0
-2
u*(t)
-4
-6
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
anos
3d-009
400
estatistica k(t)
300
200
100
0
-100
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
anos
Fig. 5. Exemplo dos testes de Mann-Kendall (a) e Pettitt (b) para as vazões do Rio Atibaia no posto 3D-006.
estatisticas u(t),u*(t)
3d-006
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
1940
u*(t)
u(t)
1950
1960
1970
1980
1990
2000
anos
estatistica k(t)
3d-006
300
250
200
150
100
50
0
-50
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
anos
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Tab. 3. Comparação das médias de vazão dos rios da bacia do
Piracicaba antes e depois do início da retirada de água
pelo Sistema Cantareira, ou seja, a partir de 1975 no
Rio Atibaia, e a partir de 1981 no Rio Jaguari.
3D-006
Média
stdev
19471974
28.86
7.06
3D-003
Média
stdev
34.13
8.87
27.98
8.39
-18.04
-5.49
4D-009
Média
stdev
36.74
9.46
31.38
9.77
-14.59
-3.30
RIO ATIBAIA
Rio Piracicaba
CESP
4D-007
Rio Jaguari
3D-009
Média
stdev
Média
stdev
Média
stdev
19751996
23.51
6.58
-18.55
-6.78
% VAR
1947-1974 1975-1996 % var
122.68
113.31
-7.63
32.91
31.71
-3.63
142.91
42.44
126.42
41.58
CONCLUSÕES
Foram detectadas tendências positivas na
maior parte dos postos de precipitação analisados,
mas é difícil creditar o aumento da precipitação a
causas de origem antrópica, já que ele depende de
fenômenos que não podem ser atribuídos somente a
mudanças locais.
A tendência positiva também foi observada no
Rio Camanducaia, sem a influência do Sistema Cantareira. Já os principais rios formadores do Rio Piracicaba sob a influência desse sistema, ou seja, o
Jaguari e o Atibaia, apresentam tendências negativas
estatisticamente significativas na vazão.
A comparação do comportamento dos rios
com e sem a influência do Sistema Cantareira e a
análise dos períodos em que as mudanças ocorrem sugerem que a retirada de água da bacia para
o abastecimento da Grande São Paulo é a mais
provável causa da tendência negativa na vazão.
-11.54
-2.02
1947-1981 1982-1996 % var
33.09
20.61
-37.70
8.51
6.31
-25.85
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CLARKE, R.T. & BRUSA, L.C. O método bootstrap para detectar tendências em séries de vazão. Anais do 12.º Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, Vitória, ES, pp. 621-628, nov. 1997.
DEMARÉE, G.R. An indication of climatic change as seen from the rainfall data of a Mauritanian station. Theor. Appl. Climatol., 42: 139-147, 1990.
Departamento de Águas e Energia Elétrica-DAEE. Plano Global dos Recursos Hídricos da Bacia do Piracicaba – 2.ª etapa, 8 v.
Tecnosan, 1986.
GOOSSENS, C. & BERGER, A. Annual and seasonal climatic variations over the Northern Hemisphere and Europe during
the last century. Annales Geophysicae, 4, B, 4, pp. 385-400, 1986.
KRUSCH, A.V.; CARVALHO, F.P.; MORAES, J.M.; CAMARGO, F.P.; BALLESTER, M.V.; MARTINELLI, L.A. & VICTORIA, R.L. Spatial and temporal water quality variability in the Piracicaba River Basin, Brazil. J. American Water
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MARENGO, J.A.; TOMASELLA, J. & UVO, C.R.B. On the Suitability of Non-Parametric Tests for Detection of Trends in Brasilian Rivers. Congresso Brasileiro de Metereologia, pp. 1.492-1.495, 1996.
MARTINELLI, L.A.; KRUSCH, A.V.; VICTORIA, R.L.; CAMARGO, P.B.; BERNARDES, M.; FERRAZ, E.S.; MORAES,
J.M. & BALLESTER, M.V. Effects of sewage on the chemical composition of Piracicaba River, Brazil. Soil, Air
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McLEOD, A.I. & HIPEL, K.W. Reference Manual. The McLeod-Hipel Time Series Package, 1995.
MORAES, J.M.; PELLEGRINO, G.Q.; BALLESTER, M.V.; MARTINELLI, L.A.; VICTORIA, R.L. & KRUSCH, A.V. Trends
in hydrological parameters of a southern Brazilian waterdhed and its relation to human induced changes. Water
Resources Management, pp. 295-311, 1998.
116
Dezembro • 2001
00_C&T18.book Page 117 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
MORAES, J.M.; GENOVEZ, A.M.; MORTATTI, J.; BALLESTER, M.V.; KRUSCH, A.V., MARTINELLI, L.A. & VICTORIA, R.L. Análise de intervenção das séries temporais de vazão dos principais rios da bacia do Rio Piracicaba.
Revista Brasileira de Recursos Hídricos, 2 (2): 65-79, 1997.
PETTITT, A.N. A non-parametric approach to the change-point problem. Appl. Statist., 28 (2): 126-135, 1979.
SABESP. Data Oper. Sistema Cantareira. São Paulo: Ed. Governo do Estado de São Paulo, 1989.
SNEYERS, R. Sur l’analyse statistique des séries d’observations. Note Technique n.º 143, OMM, Genebra, n.º 415, 1975.
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117
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Alimentos Transgênicos
– sim ou não?
Transgenic Food – yes or not?
CARLOS OTAVIO MARIANO
Universidade Metodista de Piracicaba
[email protected]
RESUMO – Este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica de artigos publicados na internet a respeito de alimentos
transgênicos, devido à importância do assunto e ao caráter polêmico que o mesmo gera, pois trata-se mais uma questão
pessoal de cada pesquisador frente ao tema. A intenção aqui não é tomar partido quanto à pergunta apresentada no
título, mas apresentar a maneira como são desenvolvidos os alimentos transgênicos, os principais produtos existentes no
mercado, as vantagens e desvantagens de sua utilização e a posição da legislação brasileira no desenvolvimento desses
produtos.
Palavras-chave: ALIMENTOS TRANSGÊNICOS – TRANSGÊNICOS – BIOTECNOLOGIA – ENGENHARIA GENÉTICA.
ABSTRACT - This paper presents a bibliographical revision of papers published in the internet about transgenic foods. Due
to the importance of the subject and to the controversial character that this subject generates, therefore is a personal point
of each researcher have about the theme. The intention here is not to take a party with relationship to the question presented in the title, but to present the way as are developed the transgenic foods, the mean products existent in the market,
the advantages and disadvantages of the uses and the position of the Brazilian legislation in the development of the transgenics products.
Keywords: TRANSGENICS FOODS - TRANSGENICS - BIOTECHNOLOGY – GENETICS ENGINEER. HYDROLOGY – TREND ANALYSES – TIME SERIES.
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INTRODUÇÃO
E
ste trabalho apresenta uma revisão bibliográfica realizada a partir de textos obtidos na
internet sobre o assunto. A biotecnologia teve
um progresso crescente até o início da segunda
metade do século passado, porém sem apresentar
grandes novidades depois disso. No entanto, na
última década, ela rejuvenesceu com a revolução
provocada pela engenharia genética. Inúmeros produtos biotecnológicos deixaram de ser uma promessa para se tornar uma realidade do nosso
cotidiano. Entre eles, destacam-se diversos produtos
usados na medicina, no processamento industrial,
na produção de alimentos e na agricultura (tab. 1).
A engenharia genética consolidou produtos
controlados por genes únicos, ou seja, monogenes.
O grande desafio que agora se apresenta é controlar
processos ou rotas metabólicas que envolvam genes
múltiplos. Assim, a biotecnologia ingressará numa
rota de evolução, com possibilidades de gerar produtos inovadores (Binsfeld, 2000).
Tab. 1. Alguns exemplos de produtos obtidos por meio da
engenharia genética que já são amplamente utilizados no cotidiano (Kleinmann, 1998; Sachse,
1998; e Malik, 1999).
assim como maior tolerância a fatores de estresses
bióticos e abióticos. Para tanto, os biólogos moleculares lançam mão de complexos sistemas de cruzamentos e retrocruzamentos, quando os genes de interesse
localizam-se na mesma espécie. Porém, quando os
genes de interesse encontram-se fora do pool gênico
primário da espécie, a engenharia genética oferece as
ferramentas básicas para identificar, selecionar, isolar
e transferir genes específicos escolhidos dentro de um
vasto pool gênico englobando um amplo espectro de
seres vivos como fonte de genes, conforme Binsfeld
(2000). A figura 1 mostra um esquema comparativo
das duas abordagens para melhoramento de plantas.
Plantas transgênicas ou organismos geneticamente modificados (OGM) caracterizam-se por possuir um ou mais genes provenientes de um pool gênico
mais distante. Com o uso dessa tecnologia, espera-se
produzir novos produtos ecologicamente sustentáveis,
mais produtivos, com superior qualidade e que sejam
capazes de colaborar na solução dos problemas nutricionais dos mais de 1,5 bilhões de pessoas no mundo
(Malik, 1999), bem como reduzir substancialmente a
agressão ao meio ambiente (Sachse, 1998).
Fig. 1. Representação esquemática do vasto pool gênico
e métodos de melhoramento aplicados na transferência de genes entre espécies, em programas de
melhoramento de plantas.
O melhoramento de plantas agrícolas é obtido
por meio do acúmulo de genes que conferem maior
produtividade e qualidade aos produtos agrícolas,
120
Dezembro • 2001
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DESENVOLVIMENTO
Os Genes de Interesse
Gander e Marcellino (2000) salientam que o
genoma de uma bactéria contém aproximadamente
5 mil genes, o de plantas tem em torno de 40 mil a
60 mil, enquanto o genoma de seres humanos é formado por cerca de 100 mil genes. Independentemente do organismo e de sua complexidade, os
genes são segmentos de um mesmo tipo da molécula: o ácido desoxirribonucléico (DNA). Essa
característica permite que genes de um organismo
sejam potencialmente funcionais em outro. Uma
das possibilidades para isolamento de um gene é a
construção de uma biblioteca genômica. Para tanto,
o DNA do organismo contendo o gene de interesse
é extraído. Em seguida, esse DNA é cortado em
fragmentos menores, utilizando as enzimas de restrição – que são tesouras moleculares. Esses fragmentos são ligados a outros fragmentos de DNA,
inseridos em bactérias e aí replicados diversas vezes.
A partir daí, seleciona-se a colônia de bactérias que
contém o fragmento do DNA correspondente ao
gene de interesse. Dessa maneira uma quantidade
impressionante de genes de bactérias, plantas, animais e humanos é isolada e posta à disposição da
comunidade científica.
Diversos genes de interesse agronômico estão
isolados e disponíveis, com potencial de uso no
melhoramento de plantas. Eles são:
• gene que codifica uma proteína de alto valor
nutricional, presente na castanha do Pará. Esse
gene poderia ser usado para aumentar o valor
nutricional de algumas culturas importantes,
como feijão, soja, ervilha etc.;
• genes que codificam proteínas capazes de modificar herbicidas, inativando-os. Herbicidas são
muito usados no controle de ervas daninhas em
algumas culturas. Entretanto, algumas plantas
não sobrevivem à aplicação dos produtos.
Assim, culturas contendo esses genes poderiam
se tornar resistentes aos herbicidas, facilitando o
controle das ervas;
• genes bacterianos que codificam proteínas tóxicas para insetos. Os insetos que se alimentassem
de plantas expressando estes genes morreriam
ou se desenvolveriam com menor eficiência,
levando ao seu controle na cultura.
O exposto indica características monogênicas,
em que o fenótipo é determinado pela expressão de
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 119-128
um único gene. Deve ser salientado que certas características importantes, como resistência a seca, salinidade ou acidez do solo, são muitas vezes definidas
por vários genes. Todas elas são produto de ações
coordenadas em tempo e em espaço por baterias de
genes e, devido a essa complexidade, a identificação
de todos os componentes genéticos que resultem nessas características ainda está em início de estudo.
A Engenharia Genética
Com o advento da tecnologia do DNA
recombinante, foi aberta a possibilidade de isolar e
clonar genes de bactérias, vírus, plantas e animais,
introduzi-los e expressá-los em plantas. Dessa
forma, a barreira do cruzamento entre espécies, e
até entre diferentes reinos, foi rompida. A transformação genética de vegetais permite a introdução de
genes específicos no genoma de cultivares comerciais. Essa tecnologia vem auxiliar os programas de
melhoramento, permitindo o fluxo de genes para
plantas que seriam impossíveis de ser transferidos
através de cruzamentos sexuais ou fusão de genomas (Aragão et al., 2000).
As primeiras plantas transgênicas foram desenvolvidas em 1983, quando um gene codificante para
a resistência contra o antibiótico canamicina foi introduzido em plantas de fumo (Gander & Marcellino,
2000). Desde então, após os primeiros testes de
campo com plantas transgênicas, já foram realizados
experimentos com mais de 40 espécies de culturas
agrícolas transformadas em 31 países (Bilang & Potrikus, 1997). Desde que se iniciou o uso comercial de
plantas transgênicas nos Estados Unidos, em meados
da década de 90, tem havido um crescimento médio
de 20% ao ano na oferta de novos produtos provenientes da engenharia genética (Kleinmann, 1998).
Por meio da engenharia genética de plantas,
pode-se alterar importantes rotas metabólicas e,
com isso, promover mudanças no tipo e composição de amido, óleos, proteínas, vitaminas etc. (Binsfeld, 2000). Com essas modificações, objetiva-se:
• elevar o valor nutricional dos alimentos;
• desenvolver plantas transgênicas que funcionem
como biorreatores capazes de produzir polipeptídeos de valor farmacêutico, como vacinas na
forma de antígenos de vírus ou anticorpos;
• produzir inúmeras enzimas (proteínas) para fins
industriais.
A lista de possibilidades de aplicações dessa
tecnologia poderia ser significativamente estendida.
121
00_C&T18.book Page 122 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
A Transferência dos
Genes de Interesse
Sendo o isolamento de genes uma técnica
dominada pela ciência atual, para obter uma planta
transgênica é necessária a inserção do gene isolado
em células vegetais. A natureza já realiza esse processo
antes mesmo de o homem se tornar o Senhor do Planeta. Logo, não se trata de uma invenção humana.
Na verdade, o homem apenas aprendeu a usar uma
ferramenta oferecida pela própria natureza.
Gander e Marcellino (2000) afirmam que as
bactérias do solo do gênero Agrobacterium associam-se a plantas dicotiledôneas, causando-lhes
tumores. Estudos demonstraram que esses genes
estão codificados no DNA de grandes plasmídeos
de Agrobacterium, os plasmídeos Ti (Tumor inducing = indutores de tumores), em um segmento de
DNA denominado T-DNA (Transferred DNA =
DNA transferido). O T-DNA carregando os genes
bacterianos integra-se ao genoma da planta, que
passa a expressar esses genes – o que resulta na síntese de auxinas e citocininas que levam à formação
de tumores em plantas e em aminoácidos modificados (opinas), substâncias necessárias à sobrevivência
da bactéria. Em outras palavras, através dessa estratégia, a agrobactéria transfere alguns de seus genes
para a planta com os seus plasmídeos Ti, que representam vetores naturais de transferência de material
genético para plantas.
Para aproveitar-se dessas propriedades naturais
na transferência de genes de interesse em plantas, é
necessário eliminar as características indesejáveis do
T-DNA, mantendo sua capacidade de inteirar-se ao
genoma da planta hospedeira. Ou seja, os genes responsáveis pela formação de tumores devem ser eliminados e no lugar deles, inseridos os genes de interesse.
Com as tesouras moleculares, é possível executar a
substituição desses genes sem interferir nas propriedades que permitem a integração do T-DNA ao DNA
da célula hospedeira. Assim, qualquer gene pode ser
introduzido em uma célula vegetal com essa ferramenta.
Transferência Direta de Genes
Os genes são inseridos diretamente na célula
vegetal sem intermédio da agrobactéria. Há dois
métodos, basicamente, para transferência em plantas
monocotiledôneas, como milho, trigo etc. São eles:
122
1) eletroporação de protoplastos e células vegetais: os protoplastos são células de vegetais
desprovidas de parede celular. Para a transformação, são incubados em soluções que
contêm os genes a ser transferidos e, em
seguida, um choque elétrico de alta voltagem é aplicado, por curtíssimo tempo. O
choque altera a membrana celular, o que
permite a penetração e eventual reintegração dos genes no genoma. Esse processo
apresenta uma baixa taxa de transformação
quando aplicado em células vegetais;
2) biobalística: é baseado no princípio da
arma de fogo (fig. 2). A diferença é que, na
engenharia genética, os microprojéteis são
de ouro ou tungstênio acelerados a alta
velocidade com pólvora ou gás (superior a
1.500km/h) para carrear e introduzir genes
de interesse em células de tecidos in vivo.
Na figura 3, é apresentado um equipamento típico de biobalística. As micropartículas (fig. 4) são aceleradas para penetrar
na parede e membrana celulares de
maneira não letal, localizando-se aleatoriamente nas organelas celulares. Em seguida,
o DNA é dissociado das micropartículas
pela ação do líquido celular, ocorrendo o
processo de integração do gene exógeno
no genoma do organismo a ser modificado. Por esse processo, pode-se introduzir
a expressão gênica em qualquer tipo celular (Aragão et al. 2000).
Plantas Transgênicas
Uma vez inserido o gene na célula vegetal por
meio de um dos métodos mencionados, essa célula,
ou grupo delas, é estimulada a gerar uma planta
inteira transformada. Assim, essa tecnologia vem
sendo mais e mais utilizada. Em 1987, cinco tipos de
plantas transgênicas foram testadas no campo. Já em
1995, um total de 707 tipos de plantas transgênicas
foram para o campo. Entre as espécies geneticamente
manipuladas, encontram-se aquelas que são as mais
importantes na alimentação humana e animal e na
indústria de tecido, ou seja, milho, batata, tomate,
soja, feijão, algodão e, como planta modelo em experimentos de pesquisa básica, o fumo, sobre o qual
foram realizados os primeiros ensaios de transgenicidade em plantas. Além dessas espécies, foram transDezembro • 2001
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formadas melancia, couve, cenoura, alfafa, arroz,
trigo, girassol, alface, maçã e amendoim, entre outras.
Fig. 2. Desenho esquemático do equipamento de biobalística.
Fig. 3. Equipamento utilizado nos processos de biobalística.
Fig. 4. Micropartículas de ouro com 1 a 3 micrômetros de
diâmetro recobertas com o DNA a ser introduzido
na célula vegetal.
De maneira geral, mais de 50% dessas espécies foram transformadas com genes que conferem
resistência a herbicidas, vírus e insetos. Em outros
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 119-128
30% dos casos, o objetivo da transformação genética foi aumentar a qualidade dos produtos, e o restante visou a resistência a fungos, secas etc ou a
obtenção de conhecimentos básicos nas áreas de
biologia molecular de plantas ou das interações
entre patógenos e plantas (Gander & Marcellino,
2000).
Hoje, a grande polêmica se dá em torno da
soja transgênica. A linhagem em questão, conhecida
como Roundup Ready ou soja RR, foi obtida a partir da inserção de três genes estrangeiros na planta.
Um deles foi extraído de um vírus e os outros, da
bactéria Agrobacterium sp. Essa modificação genética não incrementa a produtividade da cultura ou o
valor nutricional do grão, mas o resultado da modificação, alegado como economicamente vantajoso,
consiste em possibilitar a substituição de vários herbicidas por apenas um, o Roundup da Monsanto. O
glifosato, princípio ativo do Roundup, é a terceira
maior causa de problemas de saúde em agricultores
americanos, em virtude do alto grau de alergias de
vários tipos que provoca. Cerca de 70% dos alimentos processados têm soja ou milho entre seus ingredientes. A soja está presente em quase 60% dos
alimentos vendidos nos supermercados.
Com relação à utilização em escala comercial
da cultura da soja transgênica requerida pela Monsanto no Brasil, a Comissão Técnica Nacional de
Biossegurança (CTNBio) regulamentou, por meio
da Instrução Normativa n.o 18, de 15/12/98, os procedimentos a observar para sua liberação planejada
no meio ambiente e seu plantio comercial por
entender que, do ponto de vista da biossegurança,
não há risco ambiental ou para a saúde humana e
animal na utilização da soja em questão, exceto
aqueles inerentes ao consumo do grão pela parcela
da população que apresenta reações adversas à
ingestão da soja em geral (Scholze, 2000).
A batata é um cultivar muito suscetível a vírus,
fungos e bactérias, causando grandes prejuízos
quando é infectada. A batata transgênica, resistente
ao vírus do mosaico (PVY) a partir da variedade
Achat com resistência ao vírus PVY, foi desenvolvida
no Brasil em um trabalho de parceria entre a
Embrapa Hortaliças, a Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia, a Universidade Federal de Pelotas e o Instituto de Ingenieria Genética y
123
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Biotecnologia (Ingebi-Argentina), com apoio do
CNPq, programa RHAE/Biotecnologia do Centro
Brasileiro-Argentino de Biotecnologia e da FAP/DF.
No Brasil, esse cultivar é um dos mais importantes,
ocupando cerca de 45 mil hectares (25% da área
total cultivada com batata no país). Esse genótipo é
um dos mais facilmente encontrados comercialmente. O efeito direto do vírus se traduz na redução
da produtividade na lavoura e o indireto reflete-se
no aumento dos custos do produto. O projeto permitiu a introdução no genótipo da batata do gene
da capa protéica do próprio vírus. Assim, as plantas
portadoras do gene adquiriram resistência ao vírus
(Torres et al., 2000).
O feijão transgênico resistente ao vírus do
mosaico-dourado (BGMV) está sendo desenvolvido
em parceria pelos grupos do Centro Nacional de
Pesquisa de Arroz e Feijão (Embrapa/CNPAF) e do
Centro Nacional de Pesquisa de Recursos Genéticos
e Biotecnologia (Embrapa/Cenargen). A cultura do
feijão ocupa uma área de 12 milhões de hectares, e
o grão constitui-se na leguminosa mais importante
para a alimentação de mais de 500 milhões de pessoas na América Latina e na África. O Brasil é o
maior produtor, da ordem de 2 milhões de toneladas por ano, o equivalente a cerca de 20% da produção mundial. As plantas foram geneticamente
transformadas por meio do seu meristema apical, e
pelo método da biobalística receberam as seqüências do BGMV (AC1, AC2, AC3 e BC1) em seu
DNA. Em seguida, os brotos transgênicos foram
regenerados a partir das células transformadas. Esses
brotos foram transferidos para o solo e geraram
sementes transgênicas. As plantas foram autofecundadas durante cinco geraçõe, e então desafiadas
contra o vírus. A inoculação do vírus foi feita através
das moscas brancas virulíferas (vetor responsável
pela transmissão do vírus na natureza). Algumas
linhagens não apresentaram diferença significativa
em relação às plantas correspondentes não transgênicas, mas duas linhagens apresentaram um retardamento no aparecimento dos sintomas, estando eles
bem enfraquecidos. Outro objetivo do melhoramento genético é aumentar a qualidade nutricional,
principalmente no teor de metionina e triptofano
nos grãos, já que se trata de uma planta importante
para a alimentação humana e extremamente defici124
ente desses aminoácidos essenciais. Para tanto,
foram desenvolvidas plantas transgênicas expressando o gene da albumina 2S da castanha do Pará,
proteína que possui um alto teor de metionina
(18%). Essas plantas encontram-se em estudos de
aplicação no campo (Aragão et al., 2000).
O Brasil é o maior produtor de mamão do
planeta, responsável por aproximadamente 40% da
produção mundial, tendo plantado em 1997 cerca
de 40 mil hectares e produzido quase 1.550 milhões
de frutos. Porém, só cerca de 1% do mamão produzido é exportado, o que rendeu ao país quase 10
milhões de dólares em 1998. É uma fruta com alto
valor nutritivo, ficando em primeiro lugar quando
comparada a frutas de regiões tropicais, subtropicais
e temperadas. Um dos principais fatores que limitam sua cultura no país é uma doença provocada
pelo vírus da mancha anelar, o mamoeiro ou
papaya ringspot virus (PRSV). Os mamoeiros atacados por essa doença apresentam clorose e mosaico
nas folhas jovens, que perdem considerável área
foliar na medida em que maturam, resultando em
diminuição na taxa de crescimento da planta, e consequentemente na produtividade, e em manchas
anelares no fruto, reduzindo sua aceitação no mercado. O mamão transgênico resistente ao PRSV foi
desenvolvido no início da década de 90, resultado
de uma colaboração entre a Universidade de Cornell, a Universidade do Havaí e a empresa UpJohn,
todas nos Estados Unidos. Porém, essa planta mostrou-se susceptível quando cultivada em outras regiões geográficas, inclusive no Brasil. A Embrapa,
através do Centro de Mandioca e Fruticultura na
Bahia, em acordo com a Universidade de Cornell,
desenvolveu um mamoeiro transgênico resistente
ao vírus brasileiro isolado. Os novos mamoeiros,
expressando o gene de capa protéica do vírus brasileiro, demonstrou resistência não somente ao doador isolado como também a isolados do Havaí e da
Tailândia. A perspectiva é que até o final de 2001,
depois de encerrados os ensaios de campo, seja possível ter um material em condições de ser transferido para o produtor (Souza Jr., 2000).
A Legislação
Em 5 de janeiro de 1995 foi sancionada pelo
presidente Fernando Henrique Cardoso a Lei
8.974, que estabelece normas para o uso das
Dezembro • 2001
00_C&T18.book Page 125 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
técnicas de engenharia genética e a liberação no
meio ambiente de OGM. A partir dessa lei, em
junho de 1996 foi criada a Comissão Técnica Nacional de Biossegurança (CTNBio), órgão do Ministério da Ciência e Tecnologia com a função de
examinar a segurança dos OGMs. Ela emite pareceres e autorizações no caso da certificação de sementes, mas o plantio cabe ao Ministério da Agricultura.
O Senado Federal organizou um seminário a
respeito de transgênicos, o Clonagem e Transgênicos
– impactos e perspectivas, realizado em Brasília no
período de 8 a 10 de junho de 1999. O seminário
contou com seis grupos de trabalho:
• grupo 1. Biotecnologia e Meio Ambiente, cuja
síntese conclusiva é: como não se pode prever as
conseqüências a curto, médio e longo prazos da
liberação de OGMs no ambiente, é necessário
que se estabeleça uma avaliação de riscos caso a
caso, considerando as variações de cada organismo em cada um dos ambientes em que se
proponha sua liberação e/ou cultivo;
• grupo 2. Biotecnologia: educação, ciência e tecnologia: a educação científica deve formar o
cidadão responsável, crítico e capaz de tomar
decisões. Para tanto, é fundamental fortalecer o
ensino de ciências nos 1.o e 2.o graus e reforçar o
ensino superior nas diversas áreas científicas;
• grupo 3. Biotecnologia X Agronegócios: há
necessidade de ajustes e adequações da legislação aos fatos relacionados com OGMs. Sugerese o congelamento da liberação comercial de
OGM, concentrando esforços apenas na área de
pesquisa e desenvolvimento. Os OGMs envolvem toda a cadeia de agronegócios e deverão ser
vistos como mais uma opção de mercado para
os agricultores decidirem seus processos produtivos. Mas deverão atender a preceitos de biossegurança, com a participação representativa da
sociedade e da comunidade técnico-científica, e
a uma liberação planejada, seguindo o princípio
de precaução;
• grupo 4. Biotecnologia e Saúde: formulação de
proposições ou exigências para que a introdução de novos produtos biotecnológicos no mercado brasileiro tenha experimentos realizados
no país, financiados pelos órgãos/empresas de
origem. Incentivo a novas tecnologias alternatiREVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 119-128
vas para a produção de vacinas, biofármacos e
medicamentos;
• grupo 5. Biotecnologia e Legislação: investimento em educação ambiental e de biossegurança. Criação de um Comitê Nacional de
Bioética pluricameral. Ampliar o número de
representantes na CTNBio de forma a abranger
mais áreas do conhecimento (por exemplo, ecologia e toxicologia) e da sociedade civil. Rotulagem obrigatória dos produtos. Obrigatoriedade
do EIA e respectivo RIMA, levando em conta a
supremacia do texto constitucional. Reconhecer
a competência da CTNBio para propor a Política Nacional de Biossegurança vinculada aos
objetivos dispostos na Lei 6.938/81, que institui
a Política Nacional de Meio Ambiente, Lei
9.605/98 (crimes ambientais), Lei 9.279/96
(patentes), Lei 9.456/97 (cultivares) e na revisão
e aperfeiçoamento da Lei 8.974/95 (Biossegurança);
• grupo 6. Bioética: estabelecimento de programas
educacionais que estimulem o ensino e a reflexão crítica das questões de bioética, com enfoque particular sobre OGMs. A linguagem de
rotulagem deve ser precisa e acessível aos consumidores. Criação de uma Comissão Consultiva
Nacional de Bioética.
Transgênicos e o Meio Ambiente
É prematuro fazer afirmações sobre as conseqüências que os transgênicos poderão causar ao
meio ambiente, uma vez que ainda não existem
dados consistentes sobre o impacto que poderão
causar. Alguns partidos políticos assumiram posição
contrária, em consonância com ativistas como a
Organização Greenpeace, entre outros, mais isolados.
Para Menasche (2000), entre as possibilidades
de uso irresponsável da engenharia genética estão o
empobrecimento da biodiversidade – na medida em
que as plantas modificadas geneticamente podem
interagir no meio ambiente com as variedades naturais –, a eliminação de insetos e microrganismos
benéficos ao equilíbrio ecológico, o aumento da
contaminação dos solos e lençóis freáticos – devido
ao uso intensificado de agrotóxicos – e o desenvolvimento de plantas e animais resistentes a uma ampla
gama de antibióticos e agrotóxicos, o que poderá
125
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estimular o aparecimento de novos vírus, mediante
a recombinação de vírus engenheirados com os já
existentes no meio ambiente.
Caso algumas dessas conseqüências negativas
da engenharia genética ocorram, será talvez impossível controlá-las, pois, à diferença de outros poluentes químicos, os OGMs, por serem formas vivas,
são capazes de sofrer mutações, multiplicar-se e disseminar-se no meio ambiente. Como lembra o Greenpeace, todas as substâncias responsáveis por
catástrofes ambientais em nossa época contaram
com o endosso de cientistas responsáveis: o DDT, o
ascarel e a talidomida, entre outros.
Plantas Transgênicas:
vantagens e desvantagens
Conforme publicado por Cordeiro (2000),
somente depois de muitos testes e controles as plantas que apresentam o resultado desejado são multiplicadas in vitro, passando depois para aclimatação
em câmaras de cultura, estufas e finalmente canteiros experimentais isolados, onde são selecionadas
em competição com as cultivares originais sob todos
os aspectos possíveis. Antes do lançamento da transgênica como produto, são feitos testes de campo em
grande escala para verificar se há vantagem dessa
cultira em relação à original. As transgênicas são
liberadas condicionalmente, ficando em observação
permanente.
Vantagens:
1) toda a variabilidade genética dos organismos da Terra fica à nossa disposição. Portanto, não haverá jamais exaustão da
variabilidade genética para o melhoramento de vegetais e animais domésticos;
2) em uma construção, é possível usar um
gene e um promotor para funcionar de
maneira programada no tecido ou órgão
com a intensidade e no tempo de desenvolvimento do organismo escolhido. Também
é possível usar promotores que superativem o gene com o aumento ou a redução
da temperatura ou luminosidade ambientes;
3) obtêm-se plantas resistentes a insetos e pragas, herbicidas, metais tóxicos do solo, fungos, amadurecimento precoce, com maior
126
teor protéico e proteínas mais completas,
óleos mais saudáveis, arroz com carotenos,
entre outras;
4) o princípio da precaução, enunciado em
1992 na Declaração do Rio sobre Desenvolvimento e Ambiente, diz: “lack of full
scientific certainly shall not be used as a
reason for postponing cost-effective measures to prevent environmental degradation”
(possível tradução: “a falta do fundamento
científico certamente não deverá ser usada
como razão para adiar medidas de custo
efetivo para prevenir a degradação ambiental”). Agora está claro que são as plantas
transgênicas com suas defesas genéticas
que representam a esperança de uma efetiva redução da presença dos agrotóxicos
nos custos produtivos e aumento da produção.
Desvantagens:
1) somente poucos laboratórios têm os dispendiosos equipamentos e reagentes e os
pesquisadores capazes de obter organismos
transgênicos com toda a segurança exigida
pela Lei de Biossegurança e fiscalizada pela
CTNBio;
2) após a obtenção do organismo transgênico, segue-se a fase mais longa e dispendiosa, de cinco ou mais anos e milhões de
dólares, para selecionar e desenvolver o
produto. Apenas empresas têm arcado
com os custos necessários para lançar
novas culturas transgênicas;
3) apesar de todas as precauções, as pessoas
leigas e mesmo pesquisadores de áreas
afins temem que possa haver inconvenientes no futuro;
4) apesar das plantas transgênicas serem cultivadas em 39,9 milhões de hectares e consumidas por milhões de pessoas há mais de
dez anos sem inconvenientes, é fácil para
organizações leigas intimidar, sem provas, os
consumidores submetidos a propagandas
movidas por milhões de dólares. Amedrontado, o público paga essas organizações para
ser informado;
Dezembro • 2001
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5) os alimentos orgânicos, isentos de agrotóxicos
e transgênicos, parecem ideais. Entretanto, sua
produção é mais cara, demanda muito trabalho, espaço e não passa de 1% do necessário para atender o mercado. Infelizmente,
orgânicos foram os alimentos dados às vacas
e aos porcos na Inglaterra que se contaminaram com graves doenças. Também o
estrume de vaca usado na cultura de verduras orgânicas pode conter a Escherichia coli
715 H7, que é letal.
Alimentos Bioengenheirados:
benefícios e riscos
Existem atualmente duas importantes correntes sobre a questão da rotulagem dos alimentos com
transgênicos. Uma propõe três tipos de rótulos: 1.
não contém OGM; 2. contém OGM; e 3. pode
conter OGM. A outra simplesmente defende a não
identificação da tecnologia que envolve a produção
de tais alimentos. Os produtos bioengenheirados,
como frutas, podem manter o sabor e a consistência
por vários dias em temperatura ambiente, e vegetais
podem ser produzidos sem a necessidade de
agrotóxicos (Valle, 2000). Há, ainda, a possibilidade
de introduzir genes que possam alterar importantes
rotas metabólicas no cultivar e com isso alterar o
tipo e a composição de amido, óleos, proteínas,
vitaminas etc., objetivando elevar o valor nutricional
dos alimentos e melhorar o processamento industrial e a comercialização dos produtos.
Entretanto, quando tentaram melhorar a qualidade nutricional da soja com genes da castanha do
Pará, algumas pessoas que eram alérgicas à castanha
passaram a apresentar os mesmos sintomas quando
ingeriam a soja modificada.
Há, ainda a questão ética. Se um gene animal
fosse incluído em um determinado vegetal, o vegetal passaria a produzir uma proteína animal. Como
ficariam os consumidores que são vegetarianos?
Esses consumidores não deveriamser informados?
O risco à saúde animal e humana da alimentação com produtos geneticamente modificados são
imprevisíveis, embora já se tenha detectado alguns
casos de alergia desenvolvida pelo seu consumo.
Contudo, ainda não existe no mundo um grupo de
monitoramento a esse tipo de procedimento. É
necessário adotar uma política de precaução e pesquisar muito mais para conhecer os riscos e possíveis
benefícios dos alimentos geneticamente modificados.
CONCLUSÃO
No início do século passado, um pesquisador
americano resolveu estudar o processo de hibridização vegetal com o milho objetivando melhor produtividade. Os resultados foram desastrosos, sendo ele
estimulado a abandonar seus estudos. No entanto,
um grupo resolveu continuar com o trabalho. No
início da década de 30, os resultados já se apresentavam satisfatórios (Stadler, 1932). Nos anos 40, o
milho híbrido fazia o maior sucesso em termos de
produtividade. Hoje, são inúmeras as culturas
híbridas na agricultura, que têm contribuído no
combate à fome.
O desenvolvimento de transgênicos está ainda
muito embrionário, o que torna difícil qualquer
conclusão definitiva no momento. Com certeza, um
estudante universitário do ano de 2060 responderá
se estávamos certos ou não em nossos atos. Por isso,
não me sinto à vontade em apresentar qualquer resposta à pergunta: alimentos transgênicos – sim ou
não?
A CTNBio é um órgão governamental, que já
elaborou normas de procedimentos para o desenvolvimento de OGMs, com plena capacidade de
acompanhar esse processo.
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tem por objetivo publicar trabalhos que contribuam para o desenvolvimento científico e tecnológico nas áreas de Ciências Exatas,
Engenharia, Tecnologia e Arquitetura e Urbanismo.
2. Os temas podem ser apresentados através dos
seguintes tipos de artigos:
•
ensaio: artigo teórico sobre determinado
tema;
•
relato: artigo sobre pesquisa experimental
concluída ou em andamento;
•
revisão de literatura: levantamento do estágio
atual de determinado assunto e compilação
crítica de dados experimentais e propostas
teóricas recentes;
•
resenha: comentário crítico de livros e/ou
teses;
•
carta: comentário a artigos relevantes publicados anteriormente.
3. Os artigos devem ser inéditos, sendo vedada sua
publicação em outras revistas brasileiras. A
publicação do mesmo artigo em revistas estrangeiras deverá contar com a autorização prévia
da Comissão Editorial da RC&T.
4. A aceitação do artigo depende dos seguintes critérios:
•
adequação ao escopo da revista;
•
qualidade científica ou tecnológica avaliada
pela Comissão Editorial e por processo anônimo de avaliação por pares (peer review),
com consultores não remunerados, especialmente convidados, cujos nomes são divulgados anualmente, como forma de
reconhecimento;
•
cumprimento da presente Norma. Os autores
serão sempre informados do andamento do
processo de avaliação e seleção dos artigos e
os originais serão devolvidos nos casos de sua
não aceitação.
5. Os artigos devem considerar como unidade
padrão a página A4, com margens 2,5 cm, paráREVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 00-00
grafo justificado, fonte Times New Roman,
tamanho 12, digitada em espaço 1,5 e em editor
Word 97 for Windows, sem qualquer formatação especial.
Os artigos devem ter as seguintes dimensões:
•
ensaio e relato: de 12 a 20 páginas-padrão,
nelas incluídas todas as subdivisões dos capítulos, figuras, tabelas e referências bibliográficas;
•
revisão de literatura: de 10 a 15 páginaspadrão, nelas incluídas todas as subdivisões
dos capítulos, figuras, tabelas e referências
bibliográficas;
•
resenha e carta: de 2 a 4 páginas-padrão.
6. Os artigos podem sofrer alterações editoriais
não substanciais (reparagrafações, correções gramaticais e adequações estilísticas), que não
modifiquem o sentido do texto. O autor será
solicitado a revisar as mudanças eventualmente
introduzidas.
7. Não há remuneração pelos trabalhos. O autor
de cada artigo recebe gratuitamente 3 (três)
exemplares da revista; no caso de artigo assinado por mais de um autor, são entregues 5
(cinco) exemplares. O(s) autor(es) pode(m)
ainda comprar outros exemplares com desconto
de 30% sobre o preço de capa.
8. Os artigos devem ser encaminhados pelo Correio para:
Comissão Editorial da RC&T
A/c: prof. Nivaldo Lemos Coppini
Unimep – Campus Santa Bárbara d’Oeste
Km 1, Rod. Santa Bárbara d’Oeste/Iracemápolis
CEP:13450-000 – Santa Bárbara d’Oeste
através de ofício, do qual deve constar:
•
declaração de cessão dos direitos autorais para
publicação na revista;
•
declaração de concordância com as Normas
para Publicação da RC&T.
Opcionalmente, os artigos e as declarações
poderão ser encaminhadas através de arquivos anexados ao e-mail [email protected].
129
00_C&T18.book Page 130 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
ESTRUTURA
CONCLUSÕES, NOTAS e REFERÊNCIAS
BIBLIOGRÁFICAS. No caso de Resenhas, o
texto deve conter todas as informações para
identificação do livro comentado (autor; título,
tradutor, se houver; edição, se não for a primeira; local; editora; ano; total de páginas; e
título original, se houver). No caso de teses/
dissertações, segue-se o mesmo princípio, no
que for aplicável, acrescido de informações
sobre a instituição na qual tiver sido produzida.
9. Cada artigo deve conter os seguintes elementos:
Identificação:
•
•
Nome do(s) autor(es);
Telefone, e-mail e endereço do(s) autor(es)
para contato;
•
Titulação acadêmica; função e origem (instituição e unidade) do(s) autor(es);
•
Título e, se for o caso, subtítulo: precisa(m)
indicar claramente o conteúdo do texto e
ser(em) conciso(s) (título: no máximo 10
palavras; subtítulos: no máximo 15 palavras);
•
Subvenção: menção de apoio e financiamento
eventualmente recebidos;
•
Agradecimentos, apenas se absolutamente
indispensáveis.
Esses elementos devem ser apresentados em
folha separada, pois contêm dados que não serão
divulgados aos consultores. Após a aceitação do
artigo, os dados serão incluídos para publicação.
O texto deve conter:
•
Título e, se for o caso, subtítulo em português
e inglês, qualquer que seja o idioma utilizado
dentre os determinados por estas normas,
bem como os limites de palavras acima definidos;
•
Resumo em português e Abstract em inglês,
qualquer que seja o idioma utilizado no texto
dentre os determinados por estas normas.
Conterão entre 150 a 200 palavras com a
mesma formatação da página padrão acima
definida;
•
Para fins de indexação, o autor deve indicar
no mínimo três e no máximo seis palavraschave logo após a apresentação do Resumo, e,
posteriormente ao Abstract, sua versão para o
inglês (keywords).
•
O texto pode ser escrito em português, inglês
ou espanhol e deve estar subdividido em:
INTRODUÇÃO, DESENVOLVIMENTO,
CONCLUSÃO e REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. Cabe ao autor criar os intertítulos para o seu trabalho: em letras maiúsculas e
sem numeração. No caso de Relatos, podem
ter as seguintes seções: INTRODUÇÃO,
METODOLOGIA (ou MATERIAIS E
MÉTODOS), RESULTADOS, DISCUSSÕES,
130
DOCUMENTAÇÃO
10. O artigo poderá apresentar notas explicativas.1
Elas devem ser indicadas por numeração
seqüencial sobrescrita e apresentadas no rodapé
da página, com a mesma formatação da página
padrão. O artigo precisa apresentar as referências bibliográficas de acordo com a norma NBR
6.023/1989 da ABNT, em sua versão exemplificada abaixo, que consiste em fazer a citação da
referência ao longo do texto:
Para se ter uma idéia do avanço nesta direção,
até novembro de 1997, inúmeras empresas
foram certificadas conforme uma das normas de
série ISO 9000 (Emmanuel, 1997). Entretanto,
requisitos da Qualidade, segundo Brederodes
(1996), não estão somente restritos à esfera da
ISO 9000.
As Referências Bibliográficas deverão ser
apresentadas em ordem alfabética pelo sobrenome
dos autores.
I– Sobrenome do autor (maiúsculo), nome (minúsculo). Título da obra (itálico). Tradutor, edição,
cidade em que foi publicado: editora, ano de
publicação. Ex.:
HOBSBAWM, E.J. Era dos Extremos: o breve século XX;
1914-1991. Trad. Marcos Santarrita, São
Paulo: Companhia das Letras, 1995.
Obs.: sendo 1.ª edição, esta não deve ser indicada.
II– Designação de parentes não pode abrir referência bibliográfica. Ex.:
JUNQUEIRA NETTO, P....
Sobrenome composto:
CASTELLO BRANCO, H. de,...
VILLA-LOBBOS, H.,...
1
As notas explicativas devem ser apresentadas desta forma.
Dezembro • 2001
00_C&T18.book Page 131 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
ao neoliberalismo em educação em educação.
Petrópolis: Vozes, 1995.
III– Obras escritas por dois autores. Ex.:
ARANHA, M.L. de A. & MARTINS, M.H.P. Filosofando:
introdução à Filosofia. São Paulo: Moderna,
1986.
IV– Obras escritas por três ou mais autores.
Coloca-se o nome do primeiro autor, seguido da
expressão et al. Ex.:
PIRES, M.C.S. et al. Como fazer uma Monografia. 4.ª ed.,
São Paulo: Brasiliense, 1991.
Se houver um responsável pela obra (coordenador ou organizador):
GENTILI, P. (org.). Pedagogia da Exclusão: o neoliberalismo
e a crise da escola pública. Petrópolis: Vozes,
1995.
V– Artigos de revistas e jornal.
Revista: sobrenome do autor (maiúsculo),
prenome. Título do artigo, título do jornal (itálico),
local, volume (número/fascículo): páginas incursivas, ano.
Ex. com autor:
ZAMPRONHA, M.L.S. Música e semiótica. Arte, Unesp,
Rio Claro, 6: 105-128, 1990.
Ex. sem autor:
Máquinas paradas braços cruzados. Atenção, Página Aberta,
ano 2, (7): 10-17, 1996.
Jornal: sobrenome do autor (maiúsculo), prenome, título do artigo, título do jornal (itálico),
local, dia, mês, ano, número ou título do caderno,
seção ou suplemento, página inicial-final.
Ex. com autor:
FRIAS FILHO, O. Peça de Calderón sintetiza teatro barroco.
Folha de S.Paulo, São Paulo, 23/out./91, Ilustrada, p. 3.
Ex. sem autor:
Duas economias, duas moedas. Gazeta Mercantil, São Paulo,
31/jan./97, p. 7.
VI– Capítulo de um livro escrito por um único
autor. Substituir o nome do autor depois do “in”
por um travessão de três toques. Ex.:
ECO, U. A procura do material. In: ________. Como se faz
uma tese em ciências humanas, 4.ª ed. Lisboa:
Presença, 1988.
VII– Autor do capítulo diferente do responsável
pelo livro. Sobrenome do autor (maiúsculo) que
realizou o capítulo, prenome. Título do capítulo. In (sobrenome do organizador do livro em
maiúsculo), nome, título do livro (itálico), edição, local de publicação, editora, data. Ex.:
COSTA, M. da. A educação em tempos de conservadorismo.
In: GENTILI, P. Pedagogia da Exclusão: crítica
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • V. 8, Nº 18 – pp. 00-00
VII– Enciclopédia e dicionário.
GRANDE ENCICLOPÉDIA DELTA LAROUSSE. Rio de
Janeiro, Delta, 1974, v. 7, p. 2.960.
FERREIRA, A.B.H. Novo Dicionário da Língua Portuguesa.
Rio de Janeiro: Nova Fronteira, 1975, p. 397.
VIII– Fontes eletrônicas
A documentação de arquivos virtuais deve conter as
seguintes informações, quando disponíveis:
•
sobrenome e nome do autor;
•
título completo do documento (entre aspas);
•
título do trabalho no qual está inserido (em
itálico);
•
data (dia, mês e/ou ano) da disponibilização
ou da última atualização;
•
endereço eletrônico (URL) completo (entre
parênteses angulares);
•
data de acesso (entre parênteses).
Exemplos :
Site genérico
LANCASHIRE, I. Home page. Sept. 13, 1998. <http://
www.chass.utoronto.ca:8080/~ian/
index.html> (10/dez./98).
Artigo de origem impressa
COSTA, Florência. Há 30 anos, o mergulho nas trevas do
AI-5. O Globo, 6.12.98. <http:// www.
oglobo.com.br> (6/dez./98).
Dados/textos retirados de CD-rom
ENCICLOPÉDIA ENCARTA 99. São Paulo: Microsoft,
1999. Verbete “Abolicionistas”. CD-rom.
Artigo de origem eletrônica
CRUZ, Ubirajara Buddin. “The Cranberries: discography”.
The Cranberries: images. Feb./97. <http://
www.ufpel.tche.br/~bira/cranber/
cranb_04.html> (12/jul./97) .
OITICICA FILHO, Francisco. “Fotojornalismo, ilustração e
retórica”. <http://www.transmidia.al.org.br/
retoric.htm> (6/dez./98).
Livro de origem impressa
LOCKE, John. A Letter Concerning Toleration. Translated
by William Popple. 1689. <http://www.constitution.org/jl/tolerati.htm>.
Livro de origem eletrônica
GUAY, Tim. A Brief Look at McLuhan's Theories. WEB
Publishing Paradigms. <http://hoshi.cic.sfu.ca/
~guay/Paradigm/McLuhan.html> (10/dez./ 98).
KRISTOL, Irving. Keeping Up With Ourselves. 30/jun/96.
<http://www.english.upenn.edu/~afilreis/
50s/kristol-endofi.html> (7/ago./98).
Verbete
131
00_C&T18.book Page 132 Wednesday, September 10, 2003 3:05 PM
ZIEGER, Herman E. “Aldehyde”. The Software Toolworks
Multimedia Encyclopedia. Vers. 1.5. Software
Toolworks. Boston: Grolier, 1992.
“Fresco”. Britannica Online. Vers. 97.1.1. Mar./97. Encyclopaedia Britannica. 29/mar./97. http:// www.
eb.com:180.
E-mail
BARTSCH, R. <[email protected]> “Normas técnicas
ABNT – Internet”. 13/nov./98. Comunicação
pessoal.
Comunicação sincrônica (MOOs, MUDs, IRC etc.)
ARAÚJO, Camila Silveira. Participação em chat no IRC
#Pelotas. <http://www.ircpel.com.br> (2/
set./97).
lista de discussão
SEABROOK, Richard H. C. <[email protected]> “Community and Progress”. 22/jan./94. <[email protected]>
(22/
jan./94).
FTP (File Transfer Protocol)
BRUCKMAN, Amy. “Approaches to Managing Deviant
Behavior in Virtual Communities”. <ftp://
ftp.media.mit.edu/pub/asb/papers/deviancechi-94> (4/dez./94).
Telnet
GOMES, Lee. “Xerox's On-Line Neighborhood: A Great
Place to Visit”. Mercury News. 3 May 1992.
telnet lamba.parc.xerox.com 8888, @go
#50827, press 13 (5/dec./94).
Gopher
QUITTNER, Joshua. “Far Out: Welcome to Their World
Built of MUD”. Newsday, 7/nov./93. gopher
University of Koeln/About MUDs, MOOs,
and MUSEs in Education/Selected Papers/
newsday (5/dec./94).
Newsgroup (Usenet)
SLADE, Robert. <[email protected]> “UNIX Made
Easy”. 26 Mar.1996. <alt.books.reviews>
(31/mar./96).
APRESENTAÇÃO
11. O encaminhamento de artigos passa por várias
ETAPAS:
•
Apresentar três (3) cópias paginadas para
apreciação prévia, dispostas pelas normas. Se
aceito preliminarmente pela Comissão Editorial, o artigo é submetido à apreciação por
processo anônimo de avaliação por pares
(peer review), sendo posteriormente devolvido ao autor para eventual revisão.
•
Após a revisão, deve-se apresentar uma via do
texto impressa e outra em disquete, com
132
arquivo gravado no formato Word 97 for
Windows. Encaminhar também via do texto
definitivo em papel, destacando as correções
efetuadas com base nas alterações sugeridas
pelos consultores, para facilitar a conferência.
O trecho corrigido deverá ser grifado com
tinta vermelha, ou marcado com cor vermelha da fonte através do editor de texto, ou
ainda marcado com caneta “hidrocor destaca
texto”. Concluído o processo de editoração, o
autor recebe uma prova final que lhe será submetida à aprovação.
•
Caso o artigo seja vetado pela Comissão Editorial, é encaminhada justificativa ao(s)
autor(es) juntamente com a devolução do
texto original.
12. As ILUSTRAÇÕES (tabelas, gráficos, desenhos,
mapas e fotografias) necessárias à compreensão
do texto devem ser numeradas seqüencialmente
com algarismos arábicos e apresentadas, de
modo a garantir uma boa qualidade de impressão. Precisam ter título conciso, grafado em
minúsculas.
13. TABELAS devem ser editadas em Word 97 for
Windows ou Excel. Sua formatação precisa estar
de acordo com as dimensões da revista. Devem
vir inseridas nos pontos exatos de suas
apresentações ao longo do texto.
14. GRÁFICOS e DESENHOS, além da inclusão
nos locais exatos do texto (cópia impressa e disquete), precisam ser enviados em seus arquivos
originais em separado (p.ex.: Excel, CorelDraw,
PhotoShop, PaintBrush etc.).
15. As FOTOGRAFIAS devem oferecer bom contraste e foco nítido e precisam ser fornecidas em
arquivos em formato “tif” ou “gif”.
16. Outras informações poderão ser conseguidas através da secretaria da Comissão Editorial da RC&T
pelos telefones (19) 430-1767 ou 430-1770 ou
ainda através do e-mail [email protected].
Dezembro • 2001