UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOA
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO
CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
(O CORTE DE ROCHAS ORNAMENTAIS)
João Miguel Vieira Caeiro Dias Antunes
(Licenciado)
Dissertação para obtenção do grau de Mestre em
Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Orientador:
Doutor Silvestre Dias Antunes
Júri:
Presidente: Doutor Luís Manuel Guerra da Silva Rosa
Vogais: Doutor João Manuel Gouveia de Figueiredo
Doutora Helena Maria dos Santos Geirinhas Ramos
Novembro de 2003
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Declaração
Declaro que esta tese é o resultado da minha investigação pessoal e independente
no âmbito do projecto de investigação PRAXIS XXI/2/2.1/TPAR/2026/95 que decorreu
no Instituto Superior Técnico durante os anos de 1999 a 2001, o seu conteúdo é original
e todas as fontes consultadas estão devidamente mencionadas no texto, nas notas e na
biografia.
Declaro ainda que esta tese não foi aceite em nenhuma outra instituição para
qualquer grau nem está a ser apresentada para obtenção de um outro grau para além
daquele a que diz respeito.
O candidato,
Declaro que, tanto quanto me foi possível verificar, esta tese é o resultado da
investigação pessoal e independente do candidato.
O orientador,
JOÃO CAEIRO ANTUNES
ii
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Sumário
A presente tese trata do estudo, projecto e implementação da análise de assinatura
no controlo da qualidade de processos industriais. Desenvolveu-se uma nova
metodologia e procedimento de aplicação da análise de assinatura a máquinas
ferramentas do tipo engenho: mono ou multi-lâmina utilizados no corte de rochas
ornamentais.
Apresentam-se resultados conclusivos quanto à aplicação do sistema em
ambientes industriais funcionando em tempo real.
As vantagens deste sistema são postas em evidência com a apresentação de
resultados práticos comparadas com o tradicional manuseamento e processamento das
máquinas ferramentas em questão.
A eficácia do processo de corte é contabilizada de forma qualitativa e quantitativa
tornando-se possível averiguar qual o processo mais rentável do ponto de vista
económico de diferentes máquinas, métodos, condições de funcionamento, manutenção
e operação dos engenhos.
Palavras-chave
Análise assinatura, controlo da qualidade de processos industriais, eficácia do
processo de corte de rochas ornamentais, engenho mono-lâmina, engenho multi-lâmina,
ferramenta diamantada.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
iii
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Abstract
This thesis deals with the study, project and implementation of the analysis of
signatures in the quality control of industrial processes. A new methodology and
implementation techniques were developed to apply signature analysis to stone cutting
machines like mono and multi-blade gang saws.
Conclusive results are presented for industrial scenarios with real time analysis.
The benefits of the system are compared to the traditional techniques of operation
of multi blade gang saws.
The efficiency of the cutting process is measured quantitative and qualitatively.
This way it is possible to characterize the most cost-effective technique to operate,
maintain and operate multi blade gang saws.
Keywords
Signature analysis, quality control of industrial processes, ornamental stones cut
efficiency process, mono blade gang-saw, multi blade gang-saw, diamonded tools.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
iv
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Dedicatória
Aos meus pais que me apoiaram e proporcionaram
as condições necessárias para atingir mais esta meta.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
v
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Agradecimentos
Ao meu pai, professor e orientador
Silvestre Dias Antunes
Aos professores
Luís Guerra Rosa
Jorge Cruz Fernandes
Aos colegas de projecto do IST
Carlos Anjinho
Daniel Leal
Pedro Amaral
Ao Cevalor e profissionais que
disponibilizaram os meios para
que fosse possível desenvolver e
ensaiar o equipamento de medida
nas ferramentas de corte de rochas
ornamentais.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
vi
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Índice
Declaração ............................................................................................................... ii
Sumário .................................................................................................................. iii
Palavras-chave ........................................................................................................ iii
Abstract .................................................................................................................. iv
Keywords................................................................................................................ iv
Dedicatória .............................................................................................................. v
Agradecimentos ...................................................................................................... vi
Índice..................................................................................................................... vii
Índice de figuras.................................................................................................... viii
Índice de tabelas....................................................................................................... x
Lista de símbolos .................................................................................................... xi
1. Introdução............................................................................................................ 1
1.1. Objectivos .................................................................................................... 1
1.2. Metodologia ................................................................................................. 2
2. Ferramentas de corte mono-lâmina e multi-lâmina ............................................... 4
2.1. Descrição das ferramentas de corte ............................................................... 4
2.2. Métodos de avaliação do processo de corte das ferramentas.......................... 5
2.3. Método da análise de deformações das lâminas............................................. 7
2.4. Método geométrico da linearidade da lâmina e segmentos diamantados ........ 8
3. A deformação das lâminas de corte .................................................................... 11
3.1. Identificação das forças que produzem deformação nas lâminas.................. 11
3.2. Simulação da deformação das lâminas de corte........................................... 13
3.3. Medição da deformação mecânica da lâmina .............................................. 15
4. Projecto dos sensores de deformação.................................................................. 17
5. Extensometria .................................................................................................... 21
5.1. Alongamento .............................................................................................. 21
5.2. Extensómetro.............................................................................................. 22
5.3. Características do extensómetro .................................................................. 22
5.4. Características do sensor de deformação ..................................................... 25
5.5. Medição com extensómetros....................................................................... 28
5.6. Outros tipos de extensómetros .................................................................... 30
6. Instrumentação................................................................................................... 32
6.1. Solução de baixo custo................................................................................ 34
6.2. Solução de alta performance ....................................................................... 36
6.3. Aplicação da instrumentação na análise da deformação das lâminas ........... 40
6.4. Escolha de extensómetros e sua instalação .................................................. 44
6.5. Instalação de extensómetros directamente sobre a lâmina de corte .............. 46
7. Software para instrumentação............................................................................. 48
8. Evolução do processamento dos resultados experimentais .................................. 53
9. Conclusões......................................................................................................... 59
10. Trabalho futuro ................................................................................................ 60
11. Referências ...................................................................................................... 61
12. Anexo A........................................................................................................... 63
13. Anexo B........................................................................................................... 70
JOÃO CAEIRO ANTUNES
vii
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Índice de figuras
Figura 1 – Medição da linearidade da lâmina com um laser...................................... 8
Figura 2 – Recta de regressão dos pontos obtidos com o laser na lâmina .................. 9
Figura 3 – Recta de regressão dos pontos obtidos para os segmentos...................... 10
Figura 4 – Forças que actuam sobre uma lâmina de corte ....................................... 11
Figura 5 – Simulador do processo de corte ............................................................. 14
Figura 6 – Corte real na mono-lâmina, corte real na multi-lâmina e corte ideal....... 15
Figura 7 – Sensores de deformação aplicados nas lâminas do engenho ................... 16
Figura 8 – Sensor de deformação (uma das versões iniciais)................................... 17
Figura 9 – Impermeabilização e cablagem do extensómetro num dos sensores ....... 18
Figura 10 – Desenho tridimensional em CAD de um grampo ................................. 18
Figura 11 – Desenho CAD dos grampos utilizados nos sensores de deformação..... 19
Figura 12 – Sensor de deformação montado na lâmina ........................................... 19
Figura 13 – Camadas de impermeabilização dos extensómetros. ............................ 20
Figura 14 – Definição de extensão ......................................................................... 21
Figura 15 – Componentes de um extensómetro. ..................................................... 23
Figura 16 – Histerese da deformação dum corpo elástico ....................................... 26
Figura 17 – Deformação do corpo de prova submetido a um escalão de força......... 27
Figura 18 – Deformação da grelha devido a um escalão de força............................ 27
Figura 19 – Sobreposição dos efeitos de fluência no extensómetro. ........................ 28
Figura 20 – Ponte de Wheatstone. .......................................................................... 28
Figura 21 – Montagem do extensómetro em um quarto de ponte. ........................... 29
Figura 22 – Montagem do extensómetro em meia ponte ou “push-pull”. ................ 30
Figura 23 – Montagem do extensómetro em ponte completa. ................................. 30
Figura 24 – Placa PCMCIA de aquisição (solução de baixo custo) ......................... 34
Figura 25 – Módulo de condicionamento de sinal (solução de baixo custo) ............ 35
Figura 26 – Esquema de montagem (solução de baixo custo) ................................. 35
Figura 27 – Placa PCMCIA de aquisição (solução de alta performance)................. 36
Figura 28 – Chassis SCXI (slots de expansão para a solução de alta performance) . 37
Figura 29 – Módulo de condicionamento de sinal (solução de alta performance).... 37
Figura 30 – Módulo de ajuste de sinal (solução de alta performance) ..................... 38
Figura 31 – Arquitectura global (solução de alta performance)............................... 38
Figura 32 – Esquema de montagem (solução de alta performance) ......................... 39
Figura 33 – Sistema de instrumentação em funcionamento..................................... 40
Figura 34 – Ponte de Wheatstone com ajuste do zero ............................................. 41
Figura 35 – Esquema de calibração de ponte extensométrica. ................................. 42
Figura 36 – Montagem em quarto de ponte. ........................................................... 43
Figura 37 – Montagem de extensómetros numa lâmina .......................................... 46
Figura 38 – Software de análise das deformações das lâminas de corte. (“AnDef”) 49
Figura 39 – Sensor de sincronismo......................................................................... 50
Figura 40 – Parâmetros do software AnDef ............................................................ 50
Figura 41 – Software de aquisição e análise de assinaturas de corte (LabView) ...... 51
Figura 42 – Software de aquisição e análise de assinaturas (Labview) .................... 52
Figura 43 – Espectro de frequência da deformação da lâmina................................. 54
JOÃO CAEIRO ANTUNES
viii
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Figura 44 – Deformações da lâmina do engenho mono-lâmina filtradas ................. 54
Figura 45 – Sincronização do sinal à onda sinusoidal normalizada. ........................ 55
Figura 46 – Representação tridimensional do sinal sincronizado. ........................... 56
Figura 47 – Informação obtida da sincronização do sinal........................................ 57
Figura 48 – Assinatura de um mau corte................................................................. 58
Figura 49 – Assinatura de um bom corte ................................................................ 58
JOÃO CAEIRO ANTUNES
ix
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Índice de tabelas
Tabela 1 – Comparação entre extensómetros metálicos e piezo-resistivos. ............. 22
Tabela 2 – Especificações dos extensómetros metálicos utilizados. ........................ 44
JOÃO CAEIRO ANTUNES
x
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Lista de símbolos
D
d
E
F
f
fmáx
GF
L
l
lc
R
RG
Rd
Rnull
RSCAL
RL
r
t
V
VEX
Vo
∆R
∆L
∆ε0
α
ε
εmáx
εT
λ
ν
θ
ρ
ρ0
– Altura de um corpo
– Massa volúmica
– Módulo de Young
– Força aplicada num corpo
– Frequência
– Frequência máxima
– Coeficiente do extensómetro (Gauge Factor)
– Comprimento de um corpo
– Comprimento da grelha do extensómetro
– Comprimento de um condutor eléctrico circular
– Resistência eléctrica
– Resistência eléctrica nominal do extensómetro (sem deformação)
– Resistência de precisão
– Resistência variável para ajuste do zero
– Resistência de curto-circuito (shunt) para calibração
– Resistência dos condutores eléctricos
– Raio do condutor eléctrico circular
– Tempo
– Velocidade de propagação do som
– Tensão de excitação da ponte de wheatstone
– Tensão diferencial de saída da ponte de wheatstone
– Variação de resistência eléctrica
– Alongamento
– Extensão residual
– Coeficiente de temperatura
– Extensão
– Extensão máxima
– Extensão transversal
– Comprimento de onda
– Coeficiente de Poisson
– Temperatura em Kelvin
– Resistividade eléctrica
– Resistividade eléctrica a 0ºC
JOÃO CAEIRO ANTUNES
xi
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
1. Introdução
1.1. Objectivos
Esta tese de mestrado foi desenvolvida no âmbito do projecto de investigação
PRAXIS XXI/2/2.1/TPAR/2026/95 que decorreu no Instituto Superior Técnico.
Pretende-se com esta tese implementar um sistema de medição que se integre no
projecto e permita estudar e desenvolver técnicas de utilização da análise de assinaturas
em tempo real aplicadas no controlo do corte de rochas ornamentais com vista à
melhoria da qualidade do processo. Simultaneamente são realizados estudos de
avaliação do comportamento de ferramentas diamantadas nos processos de corte de
rochas ornamentais.
As ferramentas diamantadas (engenho mono-lâmina e engenho multi-lâmina) são
utilizadas em todo o mundo por indústrias de processamento e corte de rochas
ornamentais de forma tradicional e de certa forma pouco elaborada e optimizada.
Idealmente este tipo de ferramentas deveria trabalhar com um máximo de eficácia,
cortando peças de rocha e garantindo uma planeza máxima. Na realidade tal não
acontece. A tarefa da ferramenta será tanto melhor quanto maior for a planeza obtida em
ambas as faces da rocha garantindo também o paralelismo das mesmas. As
optimizações passam também pela redução máxima do tempo de corte, redução dos
custos energéticos dispendidos maximizando o rendimento da ferramenta e a
minimização do desgaste da ferramenta maximizando a quantidade de rocha cortada.
Por outras palavras, pretende-se reduzir os custos de manutenção da ferramenta e
melhorar o seu processo de corte.
Para optimizar todos estes parâmetros é necessário estudar os processos de corte e
identificar quais os factores responsáveis pela má qualidade do corte. Como não existe
qualquer informação sobre os processos de corte destas ferramentas é necessário
proceder a um estudo detalhado e investigar quais as causas e possíveis soluções. A
abordagem do problema deve ser feita de uma forma objectiva e para isso acontecer
desenvolveu-se e aperfeiçoou-se um método de avaliação que é aplicado repetidamente
a todos os processos de corte. Daqui resultam um conjunto de informações qualitativas e
quantitativas que nos permitem conduzir o processo de corte para soluções mais
eficazes e rentáveis senão mesmo óptimas.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
1
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
1.2. Metodologia
O desenvolvimento de sistemas e de técnicas de análise de assinaturas exige um
planeamento detalhado pois a quantidade de tarefas a realizar é bastante numerosa e
diversificada. A elaboração de um projecto desta dimensão exige um equilíbrio entre a
fase de desenvolvimento teórico e a fase de implementação técnica do equipamento
assim como o desenrolar de medições ao longo do tempo. Todas as tarefas têm uma
certa precedência pois só com resultados práticos se pode encaminhar o
desenvolvimento teórico e de software assim como só se pode realizar medições quando
já está disponível uma versão de software suficientemente versátil e abrangente para
poder medir o “inesperado” ou mesmo possuir as ferramentas de trabalho correctas e
suficientemente fiáveis. Assim sendo enumera-se aqui uma sequencia de etapas
necessárias ao projecto de investigação.
Numa primeira fase foram estudadas as bases para a implementação de sensores
de deformação, averiguaram-se quais as dificuldades a ultrapassar, quais os métodos a
seguir, qual o material disponível no mercado para conceber um tipo de sensores que se
adaptasse às necessidades do sistema de medição.
Numa segunda fase foi realizado o projecto dos sensores de deformação. O
dimensionamento e a escolha do equipamento de medida digital para a aquisição de
medições das deformações foram realizados em simultâneo com o projecto dos sensores
de forma a encontrar uma correcta adaptação.
A terceira fase correspondeu ao desenvolvimento dos sensores de deformação.
A quarta fase consistiu em projectar e realizar as interfaces entre os sensores, o
equipamento de medida e o computador. Esta fase exigiu cuidado e minúcia devido às
condições industriais adversas a que o equipamento de medida pode estar sujeito.
Qualquer erro ou falha de implementação pode levar a resultados errados, ruidosos ou
simplesmente inexistentes.
A quinta fase correspondeu ao desenvolvimento do software de teste e medida das
deformações adequado ao equipamento e sensores. Inicialmente implementaram-se as
funcionalidades básicas de leitura e aquisição de medidas, só mais tarde, após obter
resultados correctos de testes de medida é que se avançou para a implementação do
código mais elaborado.
A sexta fase foi dedicada à recolha de medições de deformação durante os ensaios
de teste e viabilidade do processo, ou seja, foi neste momento que se pôde analisar a
possibilidade de atingir as metas definidas à partida com base neste tipo de hardware,
software e equipamento de medida.
A sétima fase consistiu no desenvolvimento e melhoria iterativa do equipamento
de medida. Foi iterativa porque foram realizados ensaios sobre as ferramentas de onde
foram extraídas informações que levassem à optimização do software e do equipamento
de medida. Surgiram correcções ao nível do projecto e uma série de desenvolvimentos
JOÃO CAEIRO ANTUNES
2
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
teóricos para a correcta análise de assinaturas. Foram percorridos diversos caminhos de
modo a ultrapassar as dificuldades que surgiram com alguma frequência. Todo este
processo foi repetido até serem atingidos os objectivos desejados.
As fases intercaladas do estudo teórico das assinaturas tiveram diversas etapas tais
como a modelação das assinaturas de corte no simulador, a aquisição e sincronização
das deformações medidas, a análise do espectro de frequência de assinaturas, a análise
da evolução da média e variância de assinaturas, a representação gráfica de assinaturas,
a interpretação gráfica dos resultados de assinaturas, a comparação de assinaturas e os
critérios de decisão.
O software de aquisição de assinaturas teve variadíssimas versões e diferentes
formas de actuação tanto a nível de linguagens de programação como de técnicas de
escrita dos algoritmos, sobretudo porque é necessário optimizar e simplificar o
processamento para atingir uma resposta em tempo real. Pode-se distinguir o
desenvolvimento de bibliotecas para o processamento de assinaturas em C++ [18, 19],
Visual Basic [20] e LabView [21], algumas delas simplesmente para teste (como é o
caso da escrita de algumas rotinas em Visual Basic e LabView), outras para aplicar
directamente no software final. O software de aquisição em tempo real de assinaturas de
corte utiliza um conjunto dessas bibliotecas.
Surgiram ainda etapas realizadas de forma quase continua tais como a análise das
forças de corte de cada máquina ferramenta, a comparação entre as forças medidas e as
condições de operação da ferramenta de corte, a gestão da base de dados de assinaturas
e a comparação dos resultados em função do tipo de rocha ornamental, a detecção de
consequências para os equipamentos e para os produtos do corte, dedução dos
parâmetros característicos das assinaturas para a optimização do processo de corte,
integração da aquisição, comparação, análise e decisão em tempo real do sistema de
assinaturas no controlo do processamento e corte das rochas ornamentais e finalmente,
numa fase final, o estudo da melhoria da qualidade do processo e dos produtos de corte.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
3
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
2. Ferramentas de corte mono-lâmina e multi-lâmina
2.1. Descrição das ferramentas de corte
Neste capítulo introduz-se uma breve descrição do tipo de máquinas ferramentas
de corte incluídas neste estudo. De forma geral, qualquer tipo de aparelho com um
movimento cíclico (sistema alternativo biela-manivela ou outro) é um candidato
possível para ser instrumentado e analisado através deste tipo de análise de assinaturas.
A classificação e performance destas máquinas puderam ser analisadas pela sua
assinatura.
A máquina ferramenta de corte: engenho multi-lâmina consiste num conjunto de
lâminas dispostas paralelamente que se movem com um sistema alternativo de biela
manivela. Por baixo das lâminas e apoiado sobre uma base móvel encontra-se a rocha
que é deslocada verticalmente em conjunto com a base. A velocidade de subida da
rocha e base pode ser ajustada fixando assim um tempo de corte da rocha. Esta
velocidade poderá ser ajustada manualmente durante o corte.
O engenho multi-lâmina permite cortar rochas de grandes dimensões em diversas
chapas, utilizando para isso as lâminas montadas paralelamente umas às outras.
Lâminas essas que podem ou não estar igualmente espaçadas. O engenho mono-lâmina
tem uma única lâmina e é utilizado na fase inicial de processamento da rocha para
corrigir as suas faces reduzindo a dimensão do bloco. Posteriormente ele será
processado no engenho multi-lâmina.
A velocidade do movimento biela manivela é fixo, assim sendo o movimento
alternativo das lâminas têm um regime estacionário ao longo de todo o corte. O desgaste
dos segmentos de corte será dependente sobretudo da velocidade vertical escolhida e
também do tipo de pedra.
Cada lâmina da ferramenta é composta por uma chapa em aço que tem
normalmente uma espessura de 3 mm. Em cada extremidade da chapa são rebitados dois
apoios que irão permitir a fixação desta nos esticadores do engenho. Ao longo da chapa
estão soldados segmentos diamantados (os elementos do corte) que entrarão em
contacto com a pedra para a desgastar progressivamente.
Cada lâmina é estirada no seu eixo central de modo a criar uma deflexão, assim
quando ela é esticada no engenho as extremidades das lâminas ficarão com tensões
superiores às do eixo central. Este processo de fabrico é defendido pelos fabricantes
como uma importante técnica para melhorar o processo de corte a qual, segundo eles,
afecta de forma significativa o desempenho do corte.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
4
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
2.2. Métodos de avaliação do processo de corte das
ferramentas
O método de avaliação do processo de corte tem como objectivo identificar se o
processo está a produzir um “bom” corte ou um “mau” corte. É essencial definir como é
realizada a avaliação do processo de corte da ferramenta e é fundamental saber escolher
um indicador adequado quer do ponto de vista qualitativo quer do ponto de vista
quantitativo. Só assim se pode afirmar com toda a certeza se um determinado corte é de
melhor ou pior qualidade e quais as consequências que daí advêm para a ferramenta e
para as peças cortadas. Os parâmetros a ter em conta são a planeza e o paralelismo das
peças cortadas, a velocidade de corte e o rendimento energético no processo de corte e o
desgaste da ferramenta de corte. Todos eles devem ser comparados em diversas
situações permitindo então escolher qual a solução mais eficaz para corrigir eventuais
problemas.
Nesta tese não é possível nem existe propósito de efectuar uma análise detalhada
de grande parte dos parâmetros operatórios, isto porque seria necessário instrumentar
um desmedido número de sistemas, tais como o caudal de água, o consumo energético,
identificar e reconhecer o tipo de segmentos diamantados assim como a rocha a ser
processada, verificar a planeza dos segmentos das lâminas e a planeza das rochas
cortadas. Todos estes parâmetros são passíveis de serem analisados, mas requerem
muito maior dedicação da engenharia de materiais.
A avaliação do processo de corte através da análise das deformações das lâminas
de corte diamantadas é o ponto fulcral que se pretende estudar e aferir da sua eficácia. É
sobre este tema que recai toda esta tese de mestrado. Em termos de investigação
internacional nos processos de corte de rochas ornamentais, e no que toca à utilização
desta metodologia, nada foi encontrado. De facto, é com grande certeza, que este grupo
do Instituto Superior Técnico é pioneiro nesta área. A verdade é que a grande maioria
dos novos engenhos de corte são construídos com discos diamantados paralelos entre si.
Neste caso os problemas são diferentes, mas susceptíveis de serem analisados através de
uma semelhante técnica de análise de assinatura angular. A razão do desenvolvimento e
investigação neste assunto prende-se com o facto do parque mundial de ferramentas
ainda ser constituído por uma grande maioria de engenhos multi-lâmina. As fábricas
continuam a construir lâminas para este tipo de máquinas e os transformadores de
rochas naturais não podem deixar de rentabilizar as suas ferramentas enquanto o
mercado o justificar.
Existem ainda algumas técnicas de avaliação do processo de corte bastante
rudimentares no mercado. Algumas delas passam pela redução automática da
velocidade de subida da rocha quando esta se encontra numa posição superior a um
valor predeterminado, ou seja, interessa cortar rapidamente a fase inicial da rocha que é
considerada lixo e a partir de determina posição o corte é realizado lentamente para
garantir o aproveitamento completo do bloco. Certamente que o rendimento não será o
ideal.
Outra solução existente no mercado consiste em controlar a subida da rocha com a
força electromotriz garantindo que ela não excede um patamar. Quanto maior a força
menor terá que ser a velocidade evitando o desgaste precoce da ferramenta. Esta
JOÃO CAEIRO ANTUNES
5
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
situação funciona muito bem para a mono-lâmina, o problema ocorre quando existe um
conjunto enorme de lâminas (até 60 lâminas) a trabalhar em simultâneo. Lâminas que
cortem bem e consomem pouco podem compensar duas ou três que cortam mal e
consomem muito mais, mas no global o valor pode não ser suficiente para reduzir a
velocidade de subida da pedra. Uma consequência frequente é obter “barrigas” nas duas
chapas cortadas pela lâmina com problemas. Além disto este método nunca iria
identificar antecipadamente qual a lâmina com problemas para poder tomar acções
correctivas.
Para além do método da análise de assinaturas também foi importante verificar a
geometria da máquina ferramenta, isto é, quantificar o posicionamento e os
deslocamentos antes e após o corte de todo o conjunto de lâminas da ferramenta face ao
movimento alternativo biela manivela. Este tipo de análise geométrica exige um rigor
metodológico de medição e uma quantidade elevada de medidas para que se possa
retirar conclusões. De facto esta técnica revelou-se bastante ineficiente devido à
dificuldade de realizar medições geométricas na ferramenta e também ao tempo
excessivo ocupado com elas, tempo que é retirado à produtividade da máquina pois ela
tem obrigatoriamente que estar parada.
Temos assim duas vertentes distintas para avaliar as ferramentas de corte: a
escolha de um indicador característico do corte e a verificação dos parâmetros
geométricos da máquina ferramenta de corte. Este ultimo seria abandonado pelas razões
já citadas atrás, de certa forma foi substituído por uma avaliação qualitativa que o
próprio operário da máquina realizava com facilidade devido à sua experiência
acumulada. Esta informação preciosa permite correlacionar a análise de assinaturas com
o estado geométrico das lâminas de corte ou com o produto do corte (qualidade das
chapas de rocha cortadas).
JOÃO CAEIRO ANTUNES
6
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
2.3. Método da análise de deformações das lâminas
O sistema de medida desenvolvido para a análise dos processos de corte apresenta
diversas vertentes, tanto a nível teórico como nos aspectos técnicos dos ensaios
mecânicos.
A teoria envolvida nas medições das deformações das lâminas de corte requer o
estudo da extensometria [15] e da análise do comportamento mecânico dos materiais
[12]. Em conjunto com a extensometria é necessário aplicar técnicas de instrumentação
e medidas que permitem quantificar a deformação mecânica dos materiais [15, pág.
383]. O estudo passa ainda, obrigatoriamente, por desenvolver software dedicado ao
sistema de instrumentação que é utilizado. Por outro lado, e num aspecto mais teórico e
inovador da questão, é necessário desenvolver técnicas matemáticas capazes de ser
implementadas por algoritmos de software em tempo real para proceder à comparação e
caracterização das assinaturas do processo de corte. Em simultâneo é necessário
construir algoritmos de correlação e análise das bases de dados para permitir traduzir os
ensaios efectuados em decisões a tomar sobre o processo de corte.
Outra vertente incide sobre os aspectos técnicos dos ensaios mecânicos. Neste
caso é necessário desenvolver todo um conjunto de equipamentos capazes de ser
instalados em engenhos de corte de uma forma rápida e eficaz. A modularidade do
equipamento e a sua capacidade de extensão para um maior número de medidas torna-o
mais complexo e difícil de realizar. Esta complexidade tem que ser acompanhada pelo
equipamento de medida e também pelo software que é desenvolvido. As soluções
obtidas devem ser eficazes e robustas às condições de trabalho a que estão sujeitas.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
7
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
2.4. Método geométrico
segmentos diamantados
da
linearidade
da
lâmina
e
A linearidade da lâmina e dos segmentos é observada com um laser que é fixo a
um aparelho de medida (Figura 1). Este aparelho é colocado no engenho de corte sempre
no mesmo local. O alvo é um aparelho móvel com um micrómetro, que nos permite
medir os desvios relativos a um plano de referência definido pelo laser, na posição onde
está colocado.
O alvo tem um micrómetro incorporado que permite o ajuste no eixo dos ZZ para
efectuar a leitura do valor da coordenada z. A coordenada x é dada pela distância do
local onde é colocado o laser até ao alvo. A coordenada y é sempre nula no caso da
mono-lâmina. Assim, obtemos vários pontos ao longo da lâmina ou dos segmentos
conforme o caso a estudar. Com estes pontos, podemos determinar uma recta de
regressão, conseguindo assim analisar a linearidade da lâmina (Figura 2) e dos segmentos
(Figura 3) [3].
x
XX
YY
z
Laser
Alvo
Micrómetro
Rotação
do laser
em torno
do eixo
ZZ
ZZ
Figura 1 – Medição da linearidade da lâmina com um laser
Para testar a planeza das lâminas quando estas estão montadas no engenho multilâmina, coloca-se o laser na primeira ou na última lâmina. O alvo é colocado em várias
posições pré estabelecidas (para todas as lâminas). A rotação do laser no eixo dos ZZ
permite apontá-lo para o alvo gerando um plano XY de referência. As distâncias do
plano aos segmentos ou às lâminas podem ser medidas pela coordenada z. As
coordenadas y são conhecidas através do espaçamento entre lâminas. Com o conjunto
de coordenadas x, y, z é possível determinar um valor teórico do desvio ao plano de
JOÃO CAEIRO ANTUNES
8
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
referência com um determinado erro. Pode-se assim quantificar a planeza das lâminas e
dos segmentos.
Os resultados do método geométrico da linearidade da lâmina e dos segmentos
existem apenas para um dos engenhos [4]. Os dados que estão disponíveis para traçar as
curvas de linearidade das lâminas foram obtidas do engenho mono-lâmina porque estas
são mais simples de medir e não influenciam significativamente a laboração da fábrica.
Os resultados obtidos na verificação da linearidade dos segmentos e da lâmina no
engenho mono-lâmina estão esquematizados nas figuras seguintes. Os eixos são
representados em milímetros.
Recta de regressão para a lâmina
28
26
y = 0,0046x + 12,282
R2 = 0,9952
24
ZZ [mm]
22
20
18
16
14
12
10
0
500
1000
1500
XX [mm]
2000
2500
3000
Figura 2 – Recta de regressão dos pontos obtidos com o laser na lâmina
JOÃO CAEIRO ANTUNES
9
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Recta de regressão para os segmentos
18
16
y = 0,0047x + 2,9345
R2 = 0,9939
ZZ [mm]
14
12
10
8
6
4
0
500
1000
1500
XX [mm]
2000
2500
3000
Figura 3 – Recta de regressão dos pontos obtidos para os segmentos
Analisando as curvas podemos concluir que a mono-lâmina estava bem alinhada
para realizar um corte com qualidade porque não existem grandes desvios à recta de
regressão tanto no caso da lâmina como dos segmentos, ou seja, R2 está muito próximo
da unidade em ambos os casos.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
10
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
3. A deformação das lâminas de corte
A deformação das lâminas de corte é o parâmetro utilizado para analisar o
processo de corte e aquele que se pretende medir com aparelhos de instrumentação. Para
conhecer as deformações mecânicas a que a lâmina de corte está sujeita, é necessário
estudar o comportamento dinâmico do engenho de corte e identificar as origens de todas
as forças aplicadas sobre ela.
3.1. Identificação das forças que produzem deformação
nas lâminas
A deformação das lâminas é modelada com a aplicação vectorial das forças que
actuam sobre ela num plano vertical com a mesma direcção do movimento do corte da
lâmina. O modelo é bidimensional porque no eixo transversal as forças são
desprezáveis. Quando ocorre um desvio transversal no corte da rocha existem forças
transversais que são difíceis de medir mas que apresentam uma componente no plano
vertical de maior amplitude e de fácil medição. É pois necessário identificar quais as
forças e seus pontos de aplicação na lâmina (Figura 4).
Figura 4 – Forças que actuam sobre uma lâmina de corte
Convém identificar o que designaremos por assinatura do corte, isto é, a forma
como evoluem, durante o processo estacionário de corte, os valores das deformações
das lâminas em locais específicos onde são realizadas as medições. Na figura a
deformação é indicada pelo quadrado com tensões σx (Figura 4) quando a lamina está
sujeita a um conjunto de forças. Com a aplicação dos sensores esta medição é realizada
indirectamente pela deformação do corpo de prova.
A ligação mecânica entre o engenho e a lâmina de corte é constituída por dois
esticadores que se encontram aplicados nas suas extremidades (pontos A e B). Os
esticadores das lâminas são peças que permitem um grau de liberdade de rotação no
eixo transversal da lâmina, isto é um aspecto importante pois eles eliminam os
momentos que poderiam estar aplicados nas extremidades da lâmina caso os esticadores
fossem peças rígidas. Assim sendo, o momento flector na extremidade das lâminas é
sempre nulo, ou seja, só existem forças de reacção (RA e RB) aplicadas nas suas
extremidades, em vez de considerarmos as lâminas como vigas encastradas teremos um
problema de vigas simplesmente apoiadas. As restantes forças aplicadas em cada lâmina
são provocadas pelos segmentos de corte, estas forças são sobretudo verticais mas
JOÃO CAEIRO ANTUNES
11
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
também longitudinais devido ao seu atrito sobre a rocha. A modelação do conjunto de
todos as forças verticais é dada por uma carga uniformemente distribuída (ω) sobre a
lâmina na zona de contacto com a pedra, isto porque os segmentos de corte são
numerosos e estão muito próximos uns dos outros. O sentido destas forças é vertical de
baixo para cima. Uma única força de atrito (Fatrito) pode representar o conjunto das
forças de atrito de todos os segmentos em contacto com a rocha. Nas extremidades
temos forças horizontais de tracção (PA e PB) devido aos esticadores e forças verticais
de cima para baixo que correspondem a reacção dos esticadores sobre a lâmina
contrariando a carga distribuída que a rocha aplica sobre ela. A força de tracção do
esticador inclui a componente simétrica da força de atrito que varia dependendo do
sentido de corte (Figura 4).
Para uma análise mais detalhada do comportamento das deformações da lâmina é
necessário realizar cálculos mais complexos utilizando equações de mecânica dos
materiais onde é possível determinar todo o perfil de tensões e momentos presentes ao
longo do material. Na realidade não é necessário realizar tal tarefa porque não está aqui
em causa a resistência dos materiais mas sim a identificação de um local e forma ideal
de colocar o sensor de deformação que meça indirectamente as forças a que a lâmina
está sujeita. Conhecendo o perfil de deformações em função do tempo da zona onde está
colocado o sensor, podemos tirar conclusões importantes da forma como a lâmina se
comporta e interage com o resto do engenho e com a rocha durante o processo de corte.
À priori identificou-se que a medição longitudinal da extensão da lâmina seria a
grandeza mais importante para a caracterização do corte visto que as amplitudes das
diversas forças serem mais elevada neste eixo. A confirmação foi efectuada
experimentalmente colando extensómetros numa lâmina de teste com capacidade de
medição em ambos os eixos (longitudinal e vertical).
O local onde foram colocados os sensores não depende da amplitude das tensões
presentes ao longo da lâmina mas sim da sua exequibilidade. Na realidade só é possível
medir as deformações nas extremidades da lâmina porque toda a zona interior está em
contacto com a rocha o que inutilizaria desde logo os sensores. A posição vertical é
pouco importante, como se constatou experimentalmente, daí ser encontrada uma
solução mais versátil onde é realizada a medição na extremidade superior da lâmina.
Para determinar experimentalmente o perfil de deformações ao longo do tempo é
necessário realizar medidas suficientemente precisas e rápidas capazes de detectar
deformações muito reduzidas. A análise dos perfis de deformações das lâminas ao longo
do tempo é muito importante porque vai permitir caracterizar em cada instante o
processo de corte. Os perfis obtidos experimentalmente permitem, através de um
processamento adequado dos dados, obter a assinatura característica do corte da
rocha.
A partir do momento em que a assinatura seja conhecida (e pode ser identificada
por aprendizagem, durante a fase inicial do corte) podemos dizer se um determinado
corte está a ser realizado convenientemente. A alteração da assinatura característica
indicará que o processo de corte está a afastar-se do padrão ideal e será necessário
ajustar determinados parâmetros de corte para que se regresse aos resultados dentro dos
JOÃO CAEIRO ANTUNES
12
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
padrões de qualidade exigidos na assinatura característica, controlando deste modo o
processo do corte.
A técnica mais corrente para medir experimentalmente deformações consiste na
utilização da extensometria em conjunto com a aquisição e o processamento de sinais
ajustados ao tipo de medição de deformações que se pretende efectuar. Significa isto
que todo o processo de instrumentação é desenvolvido em função destas deformações
que se pretendem medir.
3.2. Simulação da deformação das lâminas de corte
Numa fase inicial é difícil ter uma ideia concreta do que se iria observar ao medir
as deformações das lâminas de corte, foi por essa razão e também para permitir modelar
o funcionamento da máquina ferramenta que se realizou o estudo teórico das
deformações.
Este estudo teórico consistiu em simular a dinâmica do engenho de corte fazendo
deslizar a lâmina de corte sobre a rocha em diferentes condições. Para isso foi utilizado
o Matlab que possibilita o cálculo das forças e deformações da lâmina em função do
tempo, ou ângulo do volante do engenho, visto este movimento ser periódico.
Foi construído um modelo genérico e parametrizável do engenho de corte em que
se podem ajustar diversos parâmetros para duas lâminas distintas. Os parâmetros a ter
em conta são a velocidade de subida da rocha, a velocidade angular do volante que
desloca a lâmina de corte e a sua inclinação face ao seu eixo longitudinal de
deslocamento. Assim é possível comparar em tempo real as diferentes condições de
corte observando a distribuição de forças presentes na lâmina e nos segmentos.
Interpretando os resultados da simulação obtêm-se estimativas sobre a eficácia do
corte. Com estes dados qualitativos podemos fazer comparações de comportamento da
ferramenta real com a teórica analisando os resultados reais dos ensaios.
A figura seguinte ilustra o simulador do processo de corte em funcionamento
mostrando a lâmina superior com uma ligeira inclinação e a inferior com inclinação
nula, ou seja, completamente horizontal (Figura 5).
JOÃO CAEIRO ANTUNES
13
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Figura 5 – Simulador do processo de corte
Podem-se observar os parâmetros que são ajustáveis em tempo real tais como os
ângulos das lâminas de corte relativamente ao seu movimento, a velocidade de corte do
volante do engenho e a velocidade de subida da rocha. Os dois gráficos mostram o perfil
da evolução das forças de tracção (longitudinais) aplicadas nas lâminas ao longo do
tempo. O eixo dos y é uma medida adimensional e proporcional à força e à deformação
da lâmina.
Verifica-se com esta simulação que existe uma alteração substancial das forças
longitudinais aplicadas às lâminas quando estas são inclinadas em relação ao
movimento de corte. Os gráficos mostram ainda uma recta com ordenadas constantes
(y=alarme), considerada como um valor máximo a partir do qual deve existir um alarme
indicando excesso de forças de corte (a escala dos gráfico é diferente em cada lâmina).
Este patamar nunca deve ser atingido, caso contrário, as condições ou eficácia do
processo de corte podem ser comprometidas. A forma de onda periódica representada
nesta simulação teórica assemelha-se muito com a observada mais tarde nos ensaios
realizados.
O corte real da mono-lâmina pode ser comparado com o corte da multi-lâmina e
com o considerado ideal (Figura 6). Na mesma figura, da esquerda para a direita podemos
observar no primeiro diagrama a lâmina em encarnado inclinada relativamente ao
JOÃO CAEIRO ANTUNES
14
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
movimento horizontal de corte (seta horizontal a azul). O desgaste da pedra (a verde) é
efectuado de forma descontinua. No segundo diagrama representam-se duas lâminas,
cada uma com a sua inclinação, este caso é típico no engenho multi-lâmina onde cada
lâmina tem uma inclinação diferente. O último caso retrata o corte ideal em que a
lâmina está perfeitamente alinhada com o seu movimento horizontal. A seta vertical
azul representa o movimento de descida das lâminas em direcção à rocha.
Figura 6 – Corte real na mono-lâmina, corte real na multi-lâmina e corte ideal
O ângulo que a lâmina apresenta em relação ao do movimento de corte é
extremamente importante na análise do processo de corte. No corte real obtém-se um
rendimento reduzido porque o tempo útil do corte é inferior ao do ciclo total da rotação
do volante do engenho. No corte ideal o rendimento é máximo e o tempo de corte útil é
de 100% do ciclo. O simulador permite observar qualquer das situações anteriores.
À curva obtida por simulação chamamos assinatura característica simulada e é
obtida por um processo de corte simulado. Não é fácil simular todas as condições que
ocorrem na realidade (tais como a dureza irregular da rocha), mas o modelo do processo
de corte tem vindo a ser optimizado e evoluído de modo a ser possível tirar mais
conclusões sobre os fenómenos que ocorrem nos engenhos. A grande dificuldade
prende-se com o facto de ser difícil quantificar estas grandezas e de escolher critérios
que indiquem qual o bom ou o mau processo de corte. É por esta razão que é necessário
construir uma base de dados exaustiva que englobe boas e más assinaturas de corte reais
(obtidas experimentalmente) e que as identifique e caracterize devidamente.
3.3. Medição da deformação mecânica da lâmina
A extensometria é uma das técnicas mais evoluídas e eficazes para analisar as
deformações microscópicas dos materiais [8, 9]. O alongamento pode ser medido
através da utilização de montagens em ponte de Wheatstone e calculando as suas
funções de transferência.
Para aplicar a extensometria na medição das deformações das lâminas de corte
definiram-se diversos parâmetros tais como a sensibilidade necessária, o tempo de
amostragem, o número de amostras necessárias e as gamas de medida a analisar.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
15
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
O actual sistema de medição engloba cinco sensores de deformação, um para cada
lâmina. Cada sensor é constituído por dois extensómetros montados longitudinalmente,
um de cada lado da lâmina, os quais permitem medir as forças longitudinais e obter por
métodos de cálculo numérico as forças transversais provocadas pelo desvio da
trajectória da lâmina que originam as conhecidas “barrigas” das chapas. Na figura é
possível observar os sensores de deformação aplicados nas lâminas do engenho multilâmina (Figura 7). A utilização de dois extensómetros por sensor é também uma forma de
ter redundância nas medidas, para poder conferir os resultados e ainda para continuar as
medições no caso de perder o sinal de um deles (por falha do extensómetro ou das
cablagens).
Figura 7 – Sensores de deformação aplicados nas lâminas do engenho
Os sensores de deformação são tratados em detalhe no capítulo seguinte.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
16
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
4. Projecto dos sensores de deformação
O projecto dos sensores de deformação foi elaborado em diversas etapas, cada
uma com melhorias práticas a nível da montagem dos grampos nas lâminas mas
também em termos de qualidade e sobretudo fiabilidade do seu funcionamento. Cada
etapa foi elaborada com ensaios em fábrica para testar as suas funcionalidades.
Os sensores de deformação são instrumentos de medida que foram desenvolvidos
para medir as deformações que as lâminas de corte sofrem durante o processo de corte (
Figura 8).
Figura 8 – Sensor de deformação (uma das versões iniciais)
Os sensores de deformação são constituídos por duas partes, a primeira
corresponde a um par de grampos que se adaptam à lâmina permitindo a sua fixação
rápida e segura. A segunda consiste em duas barras de alumínio de secção rectangular,
onde são colados os extensómetros.
A deformação sofrida pela lâmina é transmitida aos grampos e por sua vez às
barras de alumínio que estão solidárias com este último. Os grampos são realizados em
aço inox para garantir resistência à água e solidez às deformações. As barras de
alumínio devem trabalhar só no domínio elástico. Como o alumínio possui um baixo
módulo de Young, quando comparado com o do aço das lâminas, as barras introduzem
uma distorção insignificante na medida da deformação da lâmina.
A fixação das barras de alumínio ao grampo deve ser efectuada de forma cuidada
e bastante rígida. O alumínio não pode sofrer deformações plásticas, caso contrário
introduz-se tensões internas prejudiciais à medição das deformações.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
17
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Nesta figura observa-se a impermeabilização e cablagem de um dos sensores
desenvolvidos (Figura 9).
Figura 9 – Impermeabilização e cablagem do extensómetro num dos sensores
A última versão dos grampos foi desenvolvida e desenhada em CAD. Estas
figuras serviram para o seu fabrico (Figura 10). A montagem do sensor de deformação é
realizada com um par de grampos ligados através de duas barras de alumínio de secção
rectangular (10x1 mm). O comprimento destas barras de alumínio pode ser variável
(entre 50 mm a 100 mm). Deve ser suficientemente grande para dar espaço à colocação
dos extensómetros e soldaduras e permitir a montagem e aperto dos parafusos. Não deve
ser demasiado grande ao ponto de deixar flectir a barra de alumínio ou provocar o
desaproveitamento do corte da lâmina (a utilização dos sensores pode ser impedida
quando são cortadas rochas muito compridas, nestes casos o sensor embate na rocha
deteriorando-o).
Figura 10 – Desenho tridimensional em CAD de um grampo
JOÃO CAEIRO ANTUNES
18
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
As especificações do desenho são todas em milímetros, inclusive as roscas que
são milimétricas (Figura 11).
Figura 11 – Desenho CAD dos grampos utilizados nos sensores de deformação
A última versão dos sensores foi desenvolvida com grampos em aço inox e barras
de alumínio. A sua fixação na lâmina é realizada com o aperto de dois parafusos
seistavados (Figura 12). Todo o conjunto é impermeabilizado com silicone para resistir ao
ambiente de trabalho do engenho de corte multi-lâmina.
Figura 12 – Sensor de deformação montado na lâmina
JOÃO CAEIRO ANTUNES
19
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Os extensómetros são sensores extremamente sensíveis, a experiência tem
mostrado que a sua instalação requer cuidados especiais para garantir o bom
funcionamento do sensor de deformação. Neste tipo de aplicação exige-se ainda mais
atenção pois é necessário proceder à impermeabilização de todos os seus componentes,
extensómetros, cablagens e fichas. A montagem dos extensómetros inclui também a sua
correcta impermeabilização (Figura 13).
Figura 13 – Camadas de impermeabilização dos extensómetros.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
20
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
5. Extensometria
Este capítulo enumera os princípios fundamentais da extensometria e refere quais
são as técnicas de instrumentação, actuais, mais utilizadas. A medição de deformações
através da extensometria requer diversos cuidados de implementação assim como um
bom conhecimento das teorias existentes do comportamento físico da peça [11, 12, 15].
É imprescindível enumerar uma série de definições próprias da linguagem da
extensometria.
O alongamento é a definição mais importante para efectuar medições em
extensometria.
5.1. Alongamento
O alongamento é definido com base na deformação de um corpo (Figura 14). O
alongamento (∆L) corresponde ao incremento (ou decremento) do comprimento de um
corpo (inicialmente com comprimento L) sujeito a uma força (F) que o deforma no
domínio elástico. A extensão (ε) é definida pela divisão da variação do alongamento
(∆L) com o comprimento (L).
Figura 14 – Definição de extensão
ε=
∆L
L
(5.1)
O alongamento pode ser positivo ou negativo, dependendo se a peça está sujeita a
uma força de tracção ou compressão. O alongamento é adimensional por definição. Na
prática a ordem de grandeza do alongamento é da ordem dos 10-6. A força de tracção
observada na figura produz não só um alongamento (∆L) mas também um fenómeno
conhecido por alongamento de Poisson que ocorre perpendicularmente às forças
aplicadas e que leva à contracção da peça nesse eixo. Assim sendo, a altura (D) da peça,
diminui o que garante um volume idêntico ao inicial. O coeficiente de Poisson (ν), é
adimensional e contabiliza este efeito característico de cada material. No caso do aço ele
assume valores entre 0.25 e 0.30.
ν=
JOÃO CAEIRO ANTUNES
− εT
ε
(5.2)
21
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
5.2. Extensómetro
O extensómetro é o nome dado ao dispositivo utilizado para medir a extensão.
Existem numerosos dispositivos associados a determinado tipo de equipamento e
procedimento de medida aplicáveis à medição da extensão. O dispositivo mais comum é
o extensómetro resistivo eléctrico, que permite medir a extensão por variação da sua
resistência eléctrica [17].
5.3. Características do extensómetro
Existem dois tipos de extensómetros que são vulgarmente utilizados: os metálicos
e os piezo-resistivos [6]. As diferenças essenciais que os distinguem são a linearidade e
a sensibilidade (Tabela 1). Os metálicos são pouco sensíveis mas permitem realizar
medições onde a linearidade é um factor importante a ter em conta. Os piezo-resistivos
possuem maior sensibilidade, sendo esta a melhor opção para medir alongamentos
muito pequenos. O seu inconveniente é o facto de terem uma resposta não linear com a
deformação, a qual, com o auxílio de processamento digital de sinal é fácil de corrigir.
Também possuem uma sensibilidade térmica superior o que implica tomar atenção à sua
montagem de modo a efectuar a compensação térmica.
Parâmetros
Campo de Medida
Gauge factor GF
Resistência
Tolerância da resistência
Extensómetros
Metálicos
0.1 a 40000.0 µε
1.80 a 2.35
120 Ω, 350 Ω
0.1% a 0.2%
Extensómetros
Piezo-resistivos
0.001 a 3000.000 µε
50 a 200
1000 Ω a 5000 Ω
1% a 2%
Tabela 1 – Comparação entre extensómetros metálicos e piezo-resistivos.
Os extensómetros metálicos são os mais utilizados porque o seu custo é reduzido,
são fáceis de instalar e o seu condicionamento de sinal é simples de implementar
(devido à sua linearidade). O campo de medida destes extensómetros é muito
abrangente porque existe uma grande variedade de componentes fabricados para todo o
tipo de aplicações. São componentes de fácil dimensionamento e fabrico.
O extensómetro metálico consiste numa grelha fina que maximiza a sensibilidade
à deformação no eixo longitudinal (Figura 15). Na direcção transversal minimiza-se a
área da secção de modo a reduzir o efeito de Poisson descrito anteriormente.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
22
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Figura 15 – Componentes de um extensómetro.
O extensómetro pode ser aplicado directamente na peça a medir através de uma
colagem cuidada utilizando resinas apropriadas. Convém seguir todas as indicações dos
fabricantes de modo a garantir a máxima transferência das deformações da peça à grelha
do extensómetro. A escolha da dimensão do extensómetro é indicada pelo fabricante de
acordo com o tipo de corpo de prova escolhido e com a amplitude das deformações.
Para deformações elevadas devem ser utilizados extensómetros mais pequenos e para
pequenas deformações é mais conveniente utilizar extensómetros maiores de modo a
melhorar a sensibilidade.
Um parâmetro fundamental do extensómetro é a sua sensibilidade ao alongamento
que é expresso pelo factor GF (“gauge factor”) fornecido pelos fabricantes. GF é
definido como a razão entre a variação da resistência eléctrica (∆R) por unidade de
resistência (R) do extensómetro e a extensão (ε).
GF =
∆R / R ∆R / R
=
∆L / L
ε
(5.3)
Idealmente um extensómetro só seria sensível a alterações de alongamento, mas
na prática verifica-se que a resistência eléctrica sofre alterações significativas com a
variação da temperatura. Minimiza-se este efeito escolhendo o material do extensómetro
de acordo com o material da peça a medir de modo a que o efeito da temperatura seja
compensado pela variação da deformação térmica dos materiais. Os fabricantes
aconselham a utilização de diferentes extensómetros compensados em função do
material da peça onde vão ser aplicados. O efeito que a temperatura tem sobre as
medições pode ser observado nos gráficos tensão aparente em função da temperatura e
GF como função da temperatura (ambos dados pelo fabricante). A gama de
temperaturas e a sensibilidade térmica também são dados existentes nos catálogos. A
compensação térmica pode ser compensada com o tipo de montagem utilizado no
condicionamento de sinal, facto que é referido mais tarde neste capítulo.
O princípio de funcionamento destes extensómetros metálicos baseia-se na
variação do comprimento e da secção da grelha activa. Quando o extensómetro se
encontra à tracção a secção dos filamentos da grelha diminui e o comprimento total do
condutor aumenta reduzindo assim a resistência. Em compressão obtém-se o inverso.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
23
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
O efeito piezo-resistivo dos metais ocorre em simultâneo com a alteração
geométrica da grelha, mas tem muito menor influencia sobre a variação da resistência.
A resistividade da maior parte dos metais decresce com o aumento da pressão. Este
aumento de pressão leva à diminuição do volume e das distâncias inter-atómicas que
provoca então a diminuição da resistividade. A resistividade do metal é devida à difusão
de electrões livres nos átomos da rede. A probabilidade de difusão é tanto maior quanto
maior for a amplitude de oscilação dos átomos. Uma redução na malha da rede
cristalina, aproximando os átomos, leva a um aumento das forças de ligação entre eles e
consequentemente à diminuição da amplitude das suas oscilações. A probabilidade de
difusão dos electrões livres diminui assim como a resistividade.
Os extensómetros piezo-resistivos funcionam com base neste comportamento,
mas para alem da difusão de electrões também existe difusão de buracos (ou lacunas)
porque são utilizados materiais semicondutores e deste modo conseguem-se
sensibilidades muito superiores.
O comportamento dinâmico dos extensómetros pode ser limitativo na medição de
extensões que oscilem a frequências elevadas. A frequência máxima de utilização do
extensómetro é um parâmetro condicionador dessas medições. A resposta em frequência
não é determinada pelo tipo de material do extensómetro mas sim pela forma como é
fixo e pelas suas dimensões.
É necessário que o comprimento (l) da grelha activa seja muito inferior ao
comprimento de onda (λ) das vibrações mecânicas de forma a que as deformações
medidas sejam quase uniformes ao longo do extensómetro. Adopta-se como regra l
0.1λ, a medição é possível até l = 0.2λ mas já com algumas perturbações.
O comprimento de onda das vibrações longitudinais é dado pela expressão:
λ=
V
f
(5.4)
Onde f é a frequência e V a velocidade de propagação do som no material da
estrutura:
V =
E
1 −ν
⋅
d (1 + ν )(1 − 2ν )
(5.5)
Onde E é o modulo de Young, d a massa volúmica do material e ν o coeficiente
de Poisson.
Assim a frequência máxima de utilização de um extensómetro em que a grelha
tem um comprimento l é dada por:
f max =
JOÃO CAEIRO ANTUNES
V
10l
(5.6)
24
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Para o caso do aço obtém-se V = 5810 m/s e fmax 60 KHz com l = 1 cm.
O limite de fadiga é outro factor característico dos extensómetros (que é dado pelo
fabricante). A repetição alternada de deformações acaba por provocar um crescimento
lento mas progressivo da resistência do extensómetro, resultando numa deriva
progressiva do ponto zero da calibração inicial. Este efeito é tanto maior quanto maiores
forem as amplitudes das deformações provocando distorções e o aparecimento de micro
fissuras da rede cristalina. O tipo de material também tem influência na amplitude da
deriva do zero. Define-se o limite de fadiga como o número de ciclos de deformações
com determinada amplitude necessárias para provocar uma variação de resistência
correspondente à deformação fictícia de 10-4.
Existe uma grande diversidade de formas ou padrões do extensómetro, a sua
escolha depende da aplicação e da grandeza física que se pretende medir. Para
deformações lineares à tracção ou compressão utiliza-se o extensómetro linear, para
medir a direcção das forças num plano utilizam-se rosetas com dois ou três
extensómetros, a torção dos veios pode ser obtida com extensómetros em espiral e
existem outros que cada fabricante desenvolve para aplicações mais específicas.
As colas a utilizar devem ser escolhidas de acordo com o que o fabricante refere
nos catálogos, normalmente são utilizadas resinas ou cyanocrilatos. Depende sobretudo
do material de base do extensómetro e da superfície onde é aplicado. O tempo de
secagem pode variar de uma hora a um dia.
5.4. Características do sensor de deformação
O sensor de deformação é composto por um corpo de prova e por um
extensómetro devidamente colado ao corpo [8-10]. O mesurando primário é a força que
actua sobre o corpo de prova. O corpo pode estar submetido à tracção, compressão, ou
flexão. A deformação resultante que corresponde ao mensurando secundário é traduzida
electricamente através do extensómetro que está montado numa ponte de Wheatstone.
As qualidades metrológicas deste sensor dependem do conjunto dos três elementos,
extensómetro, corpo de prova e cola. O que as limita são a histerese e a fluência de cada
elemento.
A histerese ocorre, por definição, quando não existe retorno ao zero. A histerese
da deformação num corpo elástico submetido a uma força F pode ser observado na
figura seguinte (Figura 16).
Quando é aplicada uma força F a um corpo elástico ele sofre uma deformação ou
extensão ( ), retirando essa força (F) a deformação não volta a zero mas sim a uma
deformação residual ou extensão residual ( 0).
JOÃO CAEIRO ANTUNES
25
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Figura 16 – Histerese da deformação dum corpo elástico
Este tipo de erro aparece mesmo que a força aplicada seja muito fraca. No
conjunto extensómetro, corpo de prova e cola temos que sobrepor os efeitos de histerese
em cada caso. Verifica-se que a histerese da resistência do extensómetro é de sinal
contrário a da deformação do corpo o que tende a compensá-la. Para cada tipo de
material temos diferentes curvas de histerese que têm que ser analisadas caso a caso.
A fluência é um fenómeno que ocorre devido à viscosidade dos materiais.
Quando um corpo é submetido a uma força constante a deformação aumenta com o
passar do tempo. Os erros devidos à fluência são imprevisíveis. Qualquer medição da
deformação está por si só sujeita à sobreposição de dois efeitos contrários de fluência.
O comportamento visco-elástico do metal da grelha resulta sempre num aumento
da deformação do metal enquanto que o suporte da grelha do extensómetro e a cola
estão sujeitos a uma relaxação que se traduz pela diminuição da deformação. A soma
destes dois efeitos pode ser positiva nula ou negativa devido às suas amplitudes e às
breves oscilações que podem ou não ter constantes de tempo idênticas. Por fim a
temperatura também afecta o comportamento da fluência.
O efeito da fluência pode ser observado num sensor de força constituído por um
corpo de prova e por um extensómetro colado (Figura 17). Os gráficos mostram a
evolução da extensão (ε) ao longo do tempo (t).
JOÃO CAEIRO ANTUNES
26
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Figura 17 – Deformação do corpo de prova submetido a um escalão de força.
A grelha do extensómetro pode sofre deformações devido à relaxação da cola e do
seu suporte assim que o corpo de prova é submetido a forças. Nesta figura observa-se a
resposta da deformação da grelha do extensómetro quando submetida a um escalão de
força (Figura 18)
Figura 18 – Deformação da grelha devido a um escalão de força.
A sobreposição dos efeitos de fluência pode ser observados pela variação relativa
da resistência do extensómetro em função do tempo (Figura 19). As curvas interrompidas
limitam o intervalo de soluções possíveis da variação da resistência provocada pelos
efeitos da fluência.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
27
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Figura 19 – Sobreposição dos efeitos de fluência no extensómetro.
Torna-se muito difícil quantificar estes fenómenos de histerese e fluência, por
isso, convenciona-se que o corpo de prova não deve ultrapassar uma deformação de
0.2% que corresponde aproximadamente a um quarto da sua elasticidade, o preço a
pagar é a diminuição do campo de medida.
5.5. Medição com extensómetros
A variação de resistência dos extensómetros é muito pequena, da ordem das
décimas de ohm, por essa razão convém utilizar montagens em ponte de Wheatstone
que permitem converter pequenas variações da resistência em variações de tensão
diferencial, e permitem ainda compensar a sensibilidade térmica dos extensómetros. [7]
A ponte de Wheatstone [13, pág. 184] é realizada por uma montagem com quatro
braços resistivos que são alimentados por uma fonte de tensão (Figura 20).
Figura 20 – Ponte de Wheatstone.
VEX é a tensão de excitação da ponte, V0 a tensão diferencial de saída, dada por:
V0 =
JOÃO CAEIRO ANTUNES
R3
R2
−
VEX
R3 + R4 R1 + R2
(5.7)
28
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
A ponte está em equilíbrio quando R1/R2 = R4/R3 resultando numa tensão de saída
com Vo = 0V.
Substituindo R4 por um extensómetro e igualando a resistência R3 ao valor
nominal da resistência do extensómetro obtemos a seguinte montagem (Figura 21), dita
em quarto de ponte:
Figura 21 – Montagem do extensómetro em um quarto de ponte.
∆R exprime a variação da resistência devida ao alongamento do extensómetro e é
dada por:
∆R = RG ⋅ GF ⋅ ε
(5.8)
A função de transferência para este condicionamento de sinal em que se assume
R1=R2 e RG=R3 é dada por:
Vo
GF ⋅ ε
1
=−
ε
VEX
4
1 + GF ⋅
2
(5.9)
Repare-se no termo de não linearidade da tensão de saída em função do
alongamento que está entre parêntesis.
É possível minimizar a influência da temperatura nas medições desta montagem
colocando um extensómetro idêntico a RG no lugar da resistência R3 e montando-o na
mesma peça a medir mas numa situação em que o alongamento é nulo. Deste modo a
temperatura afecta ambas as resistências dos braços direitos da ponte fixando a tensão
de saída no mesmo valor.
Para duplicar a sensibilidade da ponte utiliza-se o método “push-pull” onde ambos
os extensómetros são utilizados, quando um está à tracção o outro está à compressão. A
montagem diz-se realizada em meia ponte (Figura 22).
JOÃO CAEIRO ANTUNES
29
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Figura 22 – Montagem do extensómetro em meia ponte ou “push-pull”.
A função de transferência neste caso tem a vantagem de ser linear e é dada por:
Vo
GF ⋅ ε
=−
2
VEX
(5.10)
Pode ainda aumentar-se a sensibilidade para o dobro realizando a montagem dita
em ponte completa (Figura 23), com quatro extensómetros da forma que se segue:
Figura 23 – Montagem do extensómetro em ponte completa.
A sua função de transferência também é linear, e é dada por:
Vo
= −GF ⋅ ε
VEX
(5.11)
5.6. Outros tipos de extensómetros
Existem outros tipos de extensómetros com princípios de funcionamento
diferentes dependendo da aplicação a que se destinam [5-10].
O extensómetro com corda vibrante é utilizado em engenharia civil, consiste num
corpo fechado com uma corda de aço esticada no interior. Ao aplicar uma força exterior
o corpo deforma-se alterando a tensão mecânica da corda e por sua vez a sua frequência
de ressonância. As vantagens deste sistema são a robustez que garante um longo período
de vida, a fiabilidade ao ambiente hostil (humidade e radiação), a imunidade aos ruídos
parasitas e a resistência à perda do sinal (devido ao facto da informação da deformação
estar contida na frequência do sinal) e a facilidade de digitalização do sinal.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
30
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
O extensómetro capacitivo é utilizado em ambientes onde as temperaturas
ultrapassam os 300 ºC onde os extensómetros metálicos não podem ser usados. Estes
extensómetros são bastante estáveis com a temperatura e podem trabalhar até os 815 ºC.
Eles são constituídos por um condensador diferencial cilíndrico com as duas armaduras
fixas em pontos distintos da estrutura. A medição é feita através de uma ponte de Sauty
e de uma desmodulação síncrona para conhecer o sinal do deslocamento. Os
deslocamentos devidos à dilatação térmica podem ser compensados utilizando o mesmo
material da estrutura para o suporte das armaduras. O campo de medida situa-se na
ordem dos 20 000 e a sensibilidade na ordem dos 0.018 pF / 1000 .
JOÃO CAEIRO ANTUNES
31
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
6. Instrumentação
A instrumentação de um sistema envolve a interacção de um conjunto de
aparelhos que devem funcionar coerentemente uns com os outros e realizem uma
determinada tarefa para a qual foram desenhados e preparados.
O caso em estudo envolve a instrumentação de lâminas de corte utilizando a
extensometria a qual requer equipamento electrónico adequado, extremamente sensível
e um condicionamento de sinal desenhado por medida. Cada caso de instrumentação
utilizando a extensometria deve ser analisado em função da quantidade e qualidade das
extensões a medir [15].
Para aplicar a extensometria na medição das deformações das lâminas de corte é
necessário definir diversos parâmetros que vão condicionar a escolha do equipamento a
ser utilizado. Os principais factores a ter em consideração são a quantidade de medições
que se pretendem realizar, a velocidade a que é feita a amostragem das medições, a
sensibilidade que o condicionamento de sinal tem que ter para poderem ser observadas
as deformações desejadas, qual a gama de medidas que se esperam obter e de que forma
se pretende adquirir e processar todos estes dados.
A quantidade de lâminas de corte que se pretendem analisar é variável
dependendo da situação de corte em que o engenho multi-lâmina é montado. Para
espessuras de peças maiores temos menor número de lâminas e vice-versa. O valor
ronda as quatro dezenas de lâminas na pior das hipóteses.
Numa fase inicial é importante instrumentar uma só lâmina de corte para retirar o
máximo de informação possível do seu comportamento dinâmico. O objectivo é chegar
a conclusões sobre a causa efeito entre a geometria da máquina e a evolução das
deformações da lâmina. Após identificar quais as deformações mais representativas do
processo de corte podem-se eliminar os extensómetros dispensáveis à obtenção das
assinaturas características reduzindo o número de medições necessárias ao conjunto das
40 lâminas de corte.
Numa primeira estimativa supõe-se serem necessárias fazer pelo menos duas
medições por lâmina o que totaliza 80 medições simultâneas. Na fase inicial estima-se
que seja necessário instrumentar uma só lâmina com 12 medições simultâneas. Quatro
medições longitudinais em cada vértice para ambas as faces, que totaliza 8 medições
mais 4 medições transversais em ambas as extremidades e faces.
A velocidade a que são realizadas as medições tem que ser alta de modo a obter
curvas bem definidas das deformações. A frequência de funcionamento da bielamanivela é uma boa referência para calcular a frequência de amostragem necessária. No
caso do engenho mono-lâmina obteve-se uma medição auxiliar da frequência de
trabalho da lâmina de corte sendo de 2.88Hz. Como o engenho multi-lâmina trabalha a
frequências inferiores podemos estimar valores de amostragem a partir deste valor.
Pode-se fixar uma estimativa mínima para a frequência de amostragem de 10
vezes superior à frequência da lâmina de corte, ou seja, cerca de 30Hz. Deste modo
temos uma curva sinusoidal bem definida.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
32
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
A sensibilidade necessária às medições é muito difícil de estimar, porque não
existem dados nenhuns sobre o comportamento das deformações da lâmina. Podemos
no entanto deduzir que terá que ser muito alta pois apesar de as forças serem elevadas a
lâmina tem dimensões bastante grandes que resulta em deformações muito pequenas. A
escolha do tipo de extensómetro (metálico ou piezoresistivo) também tem influência
pois já vimos atrás que a solução escolhida dos extensómetros metálicos têm uma
sensibilidade 100 vezes inferior aos piezoresistivos. Conclui-se que o instrumento de
medida escolhido deverá ter a sensibilidade máxima possível.
A gama das medições também é difícil de estimar pela mesma razão anterior, por
isso convém escolher um equipamento que seja capaz de seleccionar o ganho e variar a
gama de leituras.
A forma de adquirir e processar os dados deve ser digital, tem todo o tipo de
vantagens, permite a linearização dos dados, fazer processamento em tempo real e
registar grandes quantidades de informação em simultâneo para processar mais tarde.
Outros factores a ter em atenção é que o sistema tenha a capacidade de poder
seleccionar automaticamente a origem do sinal medido e também garantir a
versatilidade de poder trocar facilmente os pontos de medida ou expandir o número de
medições.
A escolha do equipamento teve em conta os parâmetros dos extensómetros
escolhidos em função da situação em análise, a qualidade pretendida nas medições, o
tipo de arquitectura do sistema, o condicionamento de sinal e a capacidade de
desenvolvimento de software apropriado. A modularidade também é extremamente
importante para poder dar continuidade à evolução do sistema de medida em
desenvolvimentos posteriores.
Interessa medir as forças estáticas e dinâmicas a que o engenho está sujeito, o
número de medições é bastante elevado, da ordem dos 80, a amostragem de pelo menos
30 Hz. Isto significa que para um sistema multiplexado (que em termos de custos é
muito inferior a um sistema paralelo) temos frequências de comutação e de leitura de no
mínimo 2.4 KHz.
É necessário ter em conta que os pontos de leitura das deformações estão
dispersos no engenho e há que medir as forças longitudinais e transversais nas
extremidades das lâminas que estão em movimento.
Atendendo a todos estes constrangimentos optou-se pela arquitectura da National
Instruments que é uma empresa com larga experiência e historial no domínio da
instrumentação. A razão desta opção também tem a ver com a larga especialização dos
seus equipamentos, desenhados para poderem ser adaptados a cada situação.
De seguida descrevem-se sucintamente as características dos módulos adquiridos
enquadrados em dois tipos de soluções, as de baixo custo e as de alta performance.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
33
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
6.1. Solução de baixo custo
A solução de baixo custo pretende servir de ferramenta de testes e ensaios para
um número reduzido de medições extensiométricas. Desta forma foi desenvolvido
grande parte do software e sensores. Foram analisadas diversas soluções, algumas de
custo extremamente baixo, mas com grandes inconvenientes, como é o caso de um
ganho reduzido e níveis de ruído demasiado elevados.
A solução de baixo custo que foi encontrada não é das mais económicas visto ser
importante garantir ganhos e níveis de ruído aceitáveis (Figura 24 e Figura 25). Os
elementos seguintes adquiridos à empresa National Instruments [7] satisfazem os
requisitos.
DaqCard –AI–16E-4 família 6041E
Módulo:
Descrição: Placa de aquisição de sinal, interface PCMCIA, capaz de ser ligado a
qualquer computador portátil com PCMCIA-I.
Tem uma resolução de 12 bit.
Permite 16 canais em modo SE ou 8 em modo diferencial.
Frequência de amostragem até 250KS/s em modo multicanal.
Tensão de entrada entre 0-10V em modo SE ou +/-10V em modo
diferencial.
Tem 8 DIO (entradas/saídas digitais).
Figura 24 – Placa PCMCIA de aquisição (solução de baixo custo)
JOÃO CAEIRO ANTUNES
34
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
SC-2043-SG
Módulo:
Descrição: Placa de condicionamento de sinal, com 8 canais de leitura ao qual se
podem ligar extensómetros. Os tipos de ligações possíveis são as pontes de
Wheatstone em que a montagem está completada internamente em ponte
completa, meia ponte ou um quarto de ponte. Permite ainda ajustar as
tensões de offset. Sendo possível adquirir resistências de precisão e montálas na placa de modo a obter montagens em um quarto de ponte calibradas,
obtendo-se assim resultados fiáveis.
Figura 25 – Módulo de condicionamento de sinal (solução de baixo custo)
A montagem da solução de baixo custo é modular permitindo a adição de vários
conjuntos de oito canais (SC-2043SG) ligados ao modulo AMUX-64T (Figura 26). Para
optimizar esta montagem pode ser adicionada uma fonte de alimentação externa mais
estável (como é o caso das baterias de corrente continua) garantindo menor ruído nas
medições.
Figura 26 – Esquema de montagem (solução de baixo custo)
JOÃO CAEIRO ANTUNES
35
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
6.2. Solução de alta performance
A solução de alta performance permite melhores resultados que a solução de
baixo custo, de uma forma mais modular e com capacidades acrescidas na quantidade e
velocidade de aquisição de medições. A solução de alta performance integra diversos
elementos adquiridos à National Instruments, a placa de aquisição de sinal (Figura 27), o
módulo de alimentação e chassi (Figura 28), o condicionamento de sinal (Figura 29) e um
módulo de ajuste e entrada de sinal (Figura 30).
DaqCard –AI–16E-4 família 6041E
Módulo:
Descrição: Placa de aquisição de sinal com interface PCMCIA capaz de ser ligado a
qualquer computador portátil com PCMCIA-I.
Tem uma resolução de 12 bit.
Permite 16 canais em modo SE ou 8 em modo diferencial.
Frequência de amostragem até 250KS/s em modo multicanal.
Tensão de entrada entre 0-10V em modo SE ou +/-10V em modo
diferencial.
Possui 8 DIO (entradas/saídas digitais).
Figura 27 – Placa PCMCIA de aquisição (solução de alta performance)
SCXI-1001
Módulo:
Descrição: Chassis SCXI com 12 slots de expansão (permitindo instalar uma gama
relativamente grande de placas de condicionamento de sinal, consoante a
aplicação pretendida, e portanto uma versatilidade relativamente
importante para futuras aplicações). Possui uma fonte de alimentação AC
para 220V. Permitindo uma evolução posterior multi-chassis (por selecção
do endereço do chassis). Foram ainda adquiridos diversos acessórios tais
como painéis frontais e painéis traseiros, SCXI-1360 e SCXI-1361
respectivamente.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
36
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Figura 28 – Chassis SCXI (slots de expansão para a solução de alta performance)
SCXI-1121
Módulo:
Descrição: É um módulo SCXI de condicionamento de sinal para extensometria
RTD's ou Termistores, a utilizar com o chassis SCXI-1001. Possui 4
canais de entrada isolados com excitação de corrente ou tensão. Permite a
selecção do ganho de 1 a 2000 através de “jumpers”. Tem um filtro passa
baixo interno seleccionável (4Hz ou 10KHz). Pode ir até frequências de
amostragem de 333Kamostras/s. Inclui ainda a capacidade de escolher e
completar as pontes de Wheatstone, ou seja, é possível fazer uma
montagem em ponte completa, em meia ponte ou em quarto de ponte
através de “jumpers”. Em conjunto com o chassis SCXI-1001 é possível
obter 48 canais de leitura em simultâneo.
Figura 29 – Módulo de condicionamento de sinal (solução de alta performance)
SCXI-1321
Módulo:
Descrição: É um bloco terminal SCXI para ligar ao módulo SCXI-1121. Possui 4
canais de entrada e é dedicado especialmente a extensómetros. Permite o
ajuste do offset em todos os canais através de potenciómetros. Inclui ainda
um shunt de calibração automático com controlo por software.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
37
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Figura 30 – Módulo de ajuste de sinal (solução de alta performance)
O esquema seguinte mostra a arquitectura de alta performance que foi
desenvolvida e implementada na instrumentação dos engenhos mono e multi-lâmina
(Figura 31).
Figura 31 – Arquitectura global (solução de alta performance)
Para que este equipamento funcione foi necessário reunir um conjunto de
acessórios indispensáveis tais como:
Um PC portátil com interface PCMCIA é a forma mais simples e eficaz para
instalar e adquirir dados no terreno. Mais tarde as medições podem ser analisadas e
processadas permitindo fazer os necessários ajustes e correcções ao software e hardware
[14].
Conjunto de cabos de ligação entre módulos, tais como, PSHR68-68 mais
adaptador, SCXI-1349, PSHR68-50 entre outros.
Conjuntos de kits de resistências de precisão de 350 ohm e 120 ohm para
completar as pontes de Wheatstone (SCXI-R). É a única forma de garantir leituras
JOÃO CAEIRO ANTUNES
38
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
suficientemente precisas, pois qualquer oscilação no valor nominal destas resistências
iria distorcer os resultados reais das deformações, estão em jogo leituras precisas onde
são utilizados ganhos elevados.
Fios condutores em cobre protegidos do campo eléctrico com cerca de dez metros
e fichas para fazer as ligações dos extensómetros ao equipamento de medida.
“Flat cable” para realizar as ligações entre o corpo fixo do engenho e as lâminas
móveis e fichas adaptadas a cada situação.
A montagem do equipamento de alta performance é realizada introduzindo no
bastidor módulos de quatro canais com terminais de entrada (Figura 32). O bastidor é
então ligado à placa PCMCIA através de um cabo apropriado.
Figura 32 – Esquema de montagem (solução de alta performance)
JOÃO CAEIRO ANTUNES
39
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
6.3. Aplicação da instrumentação na análise da deformação
das lâminas
Para obter a análise de assinaturas é necessário aplicar e adaptar o sistema de
instrumentação à medição das deformações das lâminas de corte.
O equipamento utilizado exige cuidados especiais para que funcione
correctamente, isto é, existem uma série de regras que devem ser seguidas para que as
medições sejam fiáveis. A correcta calibração é uma das regras essenciais. O tipo de
montagem utilizada é outra regra que condiciona as medições obtidas. A montagem em
quarto de ponte tem a vantagem de permitir poupar extensómetros mas em contrapartida
tem o inconveniente de medir resultados pouco lineares e que estão sujeitos a variações
devido à temperatura ambiente. Os ensaios realizados duram habitualmente uma hora de
aquisição contínua, após isso o sistema é verificado e ajustado caso seja necessário para
poder fazer novas aquisições de dados. Desta forma evitam-se os problemas com a
oscilação da temperatura ao longo do dia, o que poderia produzir resultados errados.
Para que o sistema funciona autonomamente durante o dia inteiro é importante controlar
o equilíbrio das pontes de Wheatstone com a variação da temperatura. Caso elas não
estejam em equilíbrio produzem-se resultados irreais de onde não se podem tirar
conclusões. A variação da temperatura afecta bastante o equilíbrio da montagem em um
quarto de ponte, portanto, durante uma hora de ensaio pouca ou nenhuma variação de
temperatura se regista, daí validarem-se as medições, a partir do momento em que o
sistema trabalhe o dia inteiro obteremos valores errados. A solução a aplicar será a de
implementar uma montagem em meia ponte com três fios para cada extensómetro
resolvendo assim o problema da flutuação da temperatura ao longo do dia na cablagem.
A utilização de mais um extensómetro colado a uma chapa sem deformação permite
compensar a variação de temperatura nos extensómetros equilibrando a ponte
extensiométrica.
A figura seguinte mostra o sistema a medir deformações das lâminas do engenho
de corte.
Figura 33 – Sistema de instrumentação em funcionamento.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
40
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Existiram numerosas condicionantes na escolha do equipamento de extensometria,
há que considerar a quantidade de medições a realizar, a velocidade de amostragem
dessas medições, a sensibilidade e gama de medidas, o modo como vai ser adquirida e
processada a informação e a versatilidade e modularidade do sistema de medida de
modo a poder expandir as medições.
O sistema escolhido permite medir e digitalizar sinais analógicos com uma
resolução de 12bits, com montagens multiplexadas e em modo diferencial. Atinge
frequências de amostragem de 250KHz. São utilizadas pontes de Wheatstone que são
completadas internamente em quarto, meia ou ponte completa e é possível introduzir
um filtro interno de 4Hz ou 10KHz. A aplicação do sistema de medição à extensometria
requer a existência de um ajuste do zero para anular o desequilíbrio inicial da ponte de
Wheatstone (Figura 34).
Figura 34 – Ponte de Wheatstone com ajuste do zero
A resistência Rnull permite escolher a gama de ajuste de offset. Também é possível
compensá-lo com auxílio de software, utilizando um valor da tensão determinado
inicialmente nas equações da ponte que compensa a diferença real. O problema
desencadeado por esta correcção é o de limitar a gama dinâmica do sistema de medida.
O facto do desequilíbrio real da ponte não ser eliminado provoca ainda o aquecimento
dos extensómetros devido à passagem de uma corrente constante num dos braços da
ponte. A grande vantagem surge quando se efectuam calibrações automáticas do zero
para muitos canais em simultâneo.
Outra solução possível que o equipamento permite, é a de utilizar o 'Buffer Offset
Nulling' que consiste em ajustar um potenciómetro que adiciona ou subtrai 50mV à
tensão de saída do amplificador operacional [14]. Só depois é que será feita a
digitalização do sinal. Esta técnica não é prática pois implica ajustes no equipamento de
medida que inviabilizam a sua calibração e utilização noutras aplicações.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
41
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
A calibração de desvios do ganho pode ser realizada com auxílio de um circuito
de calibração interno que é ligado em paralelo com o extensómetro (Figura 35).
Figura 35 – Esquema de calibração de ponte extensométrica.
Esta montagem serve para verificar a medição do extensómetro relativo a uma
predeterminada deformação mecânica, ou seja, simula-se uma deformação que é
conhecida através da resistência RSCAL acrescentada a um braço da ponte.
RSCAL (301K ± tolerância 1%) é uma resistência colocada em paralelo com o
extensómetro (ou resistência de “shunt”) através do interruptor SCAL para calibrar as
medições. SCAL é activado por intermédio do software.
Assumindo que não existe tensão estática (ou seja, que a ponte está em equilíbrio),
determina-se o alongamento que deveria ocorrer na peça para dar o mesmo
desequilíbrio da ponte que a provocada pela resistência RSCAL. Com auxilio da função de
transferência de quarto de ponte (5.9) e utilizando Valterada em lugar da tensão Vo, obtémse nestas circunstâncias a expressão:
Valterada =
VEX R( RSCAL + RG )
V
− EX
RSCAL + R( RSCAL + RG )
2
(6.1)
O valor da tensão de saída da ponte pode então ser medida e comparada ao valor
de tensão esperada. Os resultados podem ser usados para corrigir erros de escala em
toda a gama de medições ou podem simplesmente servir para conferir os ganhos dos
vários andares de amplificação aumentando assim a confiança das medições.
Quando o equipamento se encontra afastado dos locais de medição, é necessário
utilizar fios condutores em cobre muito longos, o que significa que não se pode
desprezar o efeito da sua resistência.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
42
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Para o caso da montagem em quarto de ponte a compensação da resistência dos
condutores é feita da seguinte forma (Figura 36):
Figura 36 – Montagem em quarto de ponte.
A extensão é calculada através da função de transferência (6.2) em que RL é a
resistência dos condutores que ligam o equipamento ao corpo de prova, neste caso aos
sensores de deformação colocados nas lâminas de corte.
Vo
VEX
ε=
V
GF 1 + 2 o
VEX
−4
1+
RL
RG
(6.2)
A resistência (RL) de um condutor cilíndrico de comprimento lc, raio r e
resistividade ρ é obtida pela equação (6.3) considerando uma temperatura (6.4) standard
de 25ºC.
lc
πr 2
ρ = ρ 0 (1 + αθ )
RL = ρ
(6.3)
(6.4)
ρ0 = Resistividade a 0ºC
α = Coeficiente de temperatura
θ = Temperatura em Kelvin
Finalmente todo o processamento de sinal é realizado através de um programa de
software adequado ao equipamento de condicionamento de sinal utilizando a extensão
obtida através da expressão (6.2).
JOÃO CAEIRO ANTUNES
43
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
6.4. Escolha de extensómetros e sua instalação
A escolha dos extensómetros é realizada tendo em atenção todo um conjunto de
parâmetros. Foi necessário definir quais os pontos de leitura e quais as direcções das
forças que se pretenderam medir. O material onde são colados os extensómetros tem
que ser conhecido tais como as suas propriedades mecânicas. Fez-se ainda uma
estimativa do módulo das forças máximas e dos alongamentos que vão afectar as
lâminas. A deformação máxima do extensómetro nunca poderá ser ultrapassada,
correndo este o risco de ser destruído e começar a fornecer resultados errados.
Os fabricantes têm uma gama alargada de extensómetros adequados a cada
situação [16]. Para o caso das lâminas de corte foram escolhidos extensómetros próprios
para aço que têm uma compensação térmica adequada ao factor de expansão térmica do
material em teste, esta compensação é conseguida à custa da composição do material
condutor do extensómetro. Existem padrões (associações de conjuntos de
extensómetros) e dimensões variadas de extensómetros: neste caso interessam-nos
extensómetros pequenos para fazer leituras localizadas e capazes de detectar ambas as
componentes horizontais e verticais do alongamento.
As especificações dos extensómetros utilizados são quase todas idênticas, o que
difere é o padrão ou a sua dimensão, por essa razão existem quatro referências
diferentes (Tabela 2).
Referências dos Extensómetros
Comprimento
Gama de leitura do alongamento
Material de base
Material condutor extensível
Gama de temperatura
Sensibilidade térmica
Gauge Factor e tolerância
Variação Gauge Factor com a temperatura
Resistência Nominal e tolerância
Tempo de vida devido à fadiga
SHOWA N22-FA-5-120-11
SHOWA N22-FA-5-350-11
SHOWA T24-FA-5-120-11
SHOWA T24-FA-5-350-11
2.0 - 5.0 mm
4%
Polyester
Liga de Cu-Ni
-30ºC a +180ºC
±2µε/ºC Temp. ambiente até 80ºC
GF=2.13±1% e GF=2.15±1%
GF±0.015%/ºC
120.0±0.3% e 350.0±0.3%
Mais de 105 oscilações a 1000µε
Tabela 2 – Especificações dos extensómetros metálicos utilizados.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
44
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Com vista a obter os melhores resultados possíveis de um extensómetro instalado,
foi importante tomar atenção à preparação dele e da superfície e da técnica de colagem
[7, 8].
Primeiro passo. A preparação da superfície deve ser feita de modo a retirar toda a
ferrugem e sujidade e deve ser alisada com uma lixa fina para criar alguma rugosidade
na zona de aderência da cola.
Segundo passo. A área tratada tem que ser suficientemente larga para abranger
toda a cola que vai ser usada. Após o uso da lixa deve-se desengordurar a superfície
com tricloroetileno e finalmente neutralizá-lo com um detergente suave. A superfície é
limpa com um tecido até eliminar toda a sujidade e deve ser colado o extensómetro
imediatamente a seguir.
Terceiro passo. A superfície inferior do extensómetro pode ser lixada com um
abrasivo em pó fino de modo a ter maior rugosidade e aderir melhor à superfície.
Quarto passo. A cola utilizada é normalmente a resina ou o cyanocrilato. O
fabricante aconselha a utilização de resinas apropriadas de acordo com a temperatura de
trabalho a que ele vai ser sujeito e também dependendo do material do extensómetro.
No nosso caso foi utilizada resina epóxica tipo F3.
Quinto passo. A colagem pode ser feita com o auxílio de fita adesiva agarrada ao
extensómetro que é retirada lentamente depois de espalhar a cola.
Sexto passo. As soldaduras dos condutores são efectuadas ao lado do
extensómetro a terminais colados à peça de modo a não perturbá-lo.
Finalmente, o sétimo passo, e dependendo das condições em que a peça vai
trabalhar, é aplicada uma ou mais camadas de protecção da colagem, do extensómetro e
das soldaduras. Neste caso foi utilizado silicone para impermeabilizar os sensores contra
infiltrações de água.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
45
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
6.5. Instalação de extensómetros directamente sobre a
lâmina de corte
Na figura exemplifica-se a montagem de quatro extensómetros de modo a adquirir
o máximo de informação sobre a deformação da lâmina. Os extensómetros são colados
na extremidade da lâmina com as respectivas cablagens soldadas (Figura 37).
Sensor de
deformação do
eixo
longitudinal
Sensor de
deformação do
eixo vertical
Figura 37 – Montagem de extensómetros numa lâmina
JOÃO CAEIRO ANTUNES
46
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Esta informação foi recolhida numa fase inicial do projecto em que era necessário
identificar qual o melhor local e forma de aquisição das deformações que
caracterizassem bem o processo de corte. Esta montagem é repetida na extremidade e
face oposta da lâmina. As linhas e setas a branco representam os eixos e direcções em
que são realizadas as medições dos alongamentos.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
47
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
7. Software para instrumentação
Existem bastantes produtos de software comerciais já desenvolvidos com
capacidade de serem adaptados à arquitectura de instrumentação escolhida. A
desvantagem deste tipo de software é englobar num só pacote todas as soluções para
todas as arquitecturas possíveis. Além deste software ser extremamente caro é também
bastante complexo e difícil de utilizar por quem não disponha de conhecimentos para
isso. Este tipo de softwares são destinados a utilizadores que necessitam de uma grande
versatilidade na montagem de arquitecturas e diversidade de aplicações, como é o caso
do seu uso em laboratórios de engenharia.
O que se pretende neste projecto é obter uma solução simples e eficaz onde os
resultados sejam rápidos e fáceis de ler, deste modo o operador do engenho adquire a
capacidade de agir sobre a ferramenta optimizando o processo de corte de acordo com
as indicações do software. Tal objectivo só é conseguido através do desenvolvimento de
um software específico. Este software terá que realizar vários milhares de leituras por
segundo em tempo real usando a arquitectura que foi escolhida. Depois armazena e
processa toda ou parte da informação recolhida em tempo real. Da enorme quantidade
de informação disponível serão então produzidos resultados aptos a serem
compreendidos pelo utilizador que vai actuar no engenho.
O equipamento da National Instruments, que foi adquirido já disponibiliza um
conjunto de pacotes (“drivers”) para fazer o desenvolvimento de aplicações em diversas
linguagens de programação. Deste modo, e sem custos adicionais, é possível
desenvolver e investigar o melhor método para optimizar os processos de corte de
rochas ornamentais, ou seja, escrevendo um software capaz de cumprir com os
requisitos enumerados anteriormente.
O desenho do software atinge duas vertentes, por um lado coligir e tratar uma
enorme quantidade de informação, onde será necessário compreender todo o seu
significado, por outro simplificar toda essa informação até obter decisões que vão ser
entregues ao utilizador do engenho dizendo o que ele deve fazer para melhorar o
processo de corte.
A utilização directa dos pacotes (“drivers”) e o facto do software ser desenhado
especialmente para uma só arquitectura permite obter uma performance muito superior
à que seria conseguida de outra forma. A simplicidade de utilização só depende da
forma como é escrito o software. A solução encontrada passa pela utilização do Visual
Basic 5.0 como linguagem de programação do software, os pacotes (“drivers”) já estão
preparados para serem utilizados tanto para funções de alto nível como para funções de
baixo nível. Normalmente são utilizadas as funções de alto nível, quando é necessário
efectuar tarefas especificas ou quando é necessário optimizar o desempenho utilizam-se
as funções de baixo nível. As mesmas funções podem ser compiladas em Visual C, para
construir funções mais exigentes em processamento e depois de serem compiladas e
ligadas (“linkadas”) podem ser chamadas através do Visual Basic.
O programa desenvolvido em Visual Basic chama-se "AnDef" (Análise de
Deformações) e executa a aquisição das medições das tensões nas lâminas de corte,
JOÃO CAEIRO ANTUNES
48
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
tanto para a arquitectura de baixo custo como para a arquitectura de alta performance.
Este software dedicado sofreu profundas alterações com o decorrer do projecto. Os
melhoramentos realizados cobrem muitas das funcionalidades do programa, a nível de
rapidez, número de canais, processamento de sinal, exportação de dados para Matlab,
grafismo, entre outros. Um dos saltos qualitativos deveu-se à introdução de um sinal de
sincronismo exterior que permitiu sincronizar a aquisição do sinal através de hardware
(Figura 38). Antes disto todos os sinais eram sincronizados através de software.
Figura 38 – Software de análise das deformações das lâminas de corte. (“AnDef”)
Na figura é possível observar os diversos canais com dados adquiridos para
posterior processamento. A curva encarnada mostra que existe uma alteração
significativa no decorrer do corte da rocha, este desvio é detectado e identificado na
assinatura característica do corte.
O canal ‘0’, em particular, representado por rectas verticais, corresponde ao sinal
de sincronismo da aquisição de dados. É ele que permite sincronizar e sobrepor as
deformações medidas nos outros canais num gráfico de assinaturas. Este sinal é obtido
utilizando um sensor encostado ao quadro móvel do engenho mono-lâmina ou multilâmina (Figura 39). O disparo da aquisição do sinal é efectuado pela placa PCMCIA
utilizando hardware de controlo. O disparo é programado através de software indicando
qual o nível de sinal a detectar e qual o sentido do disparo (positivo ou negativo).
JOÃO CAEIRO ANTUNES
49
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Figura 39 – Sensor de sincronismo
Assim é possível conhecer a frequência dos ciclos de corte da máquina bem como
o seu início e fim. As curvas representadas medem as tensões a que as lâminas estão
sujeitas para cada um dos canais. Cada par de canais corresponde a uma lâmina, isto
porque cada sensor possui dois extensómetros (um deles redundante). Cada canal diz
respeito a uma ponte de Wheatstone. É possível observar os perfis de tensões em função
do tempo em cada ponto de medição. Os perfis podem ser guardados em disco e serem
chamados mais tarde para serem comparados com outros. As frequências de
amostragem e tempos de leitura são ajustáveis e os dados podem ser medidos
sequencialmente ou em paralelo. Podemos ainda visualizar em tempo real a evolução
dos perfis de tensões. É possível ajustar parâmetros de visualização tais como o número
de perfis em simultâneo, as suas cores, a escala de tempo e a escala de tensões.O
programa possui diversos parâmetros de funcionamento (Figura 40).
Figura 40 – Parâmetros do software AnDef
JOÃO CAEIRO ANTUNES
50
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Os parâmetros são o módulo de Young do aço, a tensão de excitação dos
extensómetros, o gauge factor, a resistência dos extensómetros, o tipo de montagem que
está a ser utilizada na aquisição dos sinais e o sistema de aquisição utilizado (de alta
performance ou o de baixo custo). Todos eles podem ser alterados em qualquer instante.
No que diz respeito ao processamento das deformações foi necessário desenvolver
código em LabView, na realidade é sempre possível desenvolver uma aplicação em
Visual Basic com o mesmo efeito, mas para desenvolver o estudo da assinatura
característica, as capacidades de processamento paralelo e simplicidade do código
conduziram ao desenvolvimento de uma biblioteca e uma aplicação em LabView.
De facto obtiveram-se grandes melhorias em termos de rapidez de processamento
e de capacidade de leitura e caracterização simultânea das assinaturas quando se passou
a utilizar o LabView como ferramenta de desenvolvimento. As potencialidades do
LabView permitem integrar em software múltiplas tarefas a correrem em paralelo.
Figura 41 – Software de aquisição e análise de assinaturas de corte (LabView)
De seguida observamos o ambiente de trabalho da aplicação mais recente
desenvolvida em LabView (Figura 42). As funcionalidades que existiam no “AnDef”
continuam a existir só que de forma mais optimizada. A compatibilidade foi levada em
consideração tornando-se possível importar ficheiros gerados pelo “AnDef”. A
visualização das assinaturas foi melhorada de acordo com o estudo teórico realizado. A
representação das assinaturas é gerada em coordenadas polares o que facilita a sua
compreensão. A filtragem do sinal foi melhorada utilizando um filtro passa baixo de
Butterworth corrigido por um filtro de fase nula para que não existam erros de atraso de
JOÃO CAEIRO ANTUNES
51
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
fase. O registo de assinaturas tornou-se mais versátil permitindo incluir informação
adicional sobre as condições em que decorrem os ensaios. É ainda possível comparar
com facilidade assinaturas da base de dados com as geradas no momento do ensaio e daí
retirar conclusões (Figura 42).
Figura 42 – Software de aquisição e análise de assinaturas (Labview)
No anexo B apresenta-se uma publicação na revista ROC Máquina espanhola que
exemplifica um caso típico de análise e detecção de erros de corte do engenho multilâmina [Anexo B, pág. 73, 74]. Esta análise é feita em software desenvolvido no
LabView, neste caso a representação das assinaturas ainda não tinha sido transformada
em coordenadas polares como mostra a figura anterior.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
52
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
8. Evolução do processamento dos resultados
experimentais
Os resultados experimentais começaram a ser processados a partir do momento
em que estavam disponíveis, ou seja, na sexta fase já citada (Metodologia - Capítulo
1.2). Eles tornaram-se necessários para identificar o melhor local de medição das
deformações das lâminas de corte. Para facilitar a tarefa, todo o equipamento foi
montado no engenho mono-lâmina. Este engenho tem um acesso físico fácil que
simplifica a instalação dos extensómetros directamente na lâmina (Figura 37) permitindo
também a passagem directa dos cabos para o equipamento de medida. É importante
poder montar e desmontar a lâmina rapidamente e quantas vezes forem necessárias para
realizar testes de medição em diferentes situações e pontos da lâmina. O ângulo de
montagem da lâmina também é relevante pois a sua inclinação em relação ao eixo de
corte afecta as medições. Os cortes foram realizados em diferentes tipos de pedra para
comparar os resultados. Este trabalho pôde ser realizado porque o engenho monolâmina funciona intermitentemente não causando atrasos nas tarefas da fábrica. No
engenho multi-lâmina é muito complicada e demorada a montagem e desmontagem das
lâminas impossibilitando a colocação directa de extensómetros nas lâminas. Assim
sendo, a medição de deformações só teve inicio quando os sensores estiveram
disponíveis. A ligação da cablagem teve que ser devidamente estudada para não ser
destruída durante o funcionamento do engenho multi-lâmina [15, pág. 313]. Os
resultados obtidos para esta sexta fase são sobretudo medições de deformação numa
única lâmina de corte da mono-lâmina.
O processamento destes dados foi complicado porque o sensor de sincronismo
ainda não estava operacional. Assim a única forma de interpretar os dados consistiu em
sincronizar os sinais através de software. A ferramenta utilizada foi o Matlab, bastante
potente em termos de cálculo mas algo lento para um processamento em tempo real. A
intenção foi detectar uma característica relevante do processo de corte que indicasse a
qualidade e eficiência deste.
São realizadas medições simultâneas das deformações em diferentes locais da
lâmina do engenho mono-lâmina. O tempo de aquisição foi de 2 segundos com
amostragem de 10KHz. Os dados são normalizados em amplitude e de seguida são
calculados os espectros de frequência através da transformada de Fourier (Figura 43).
JOÃO CAEIRO ANTUNES
53
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Figura 43 – Espectro de frequência da deformação da lâmina.
As componentes acima dos 200 Hz são desprezáveis para a análise da assinatura.
Uma das componentes que mais interfere nas medições é o ruído dos 50Hz da rede
eléctrica. Todas as suas harmónicas estão presentes no espectro do sinal como é possível
constatar pela observação do gráfico do espectro de sinal. Para reduzir este problema é
necessário utilizar blindagem adequada em todos os cabos que ligam o sistema de
aquisição de dados aos extensómetros caso contrário continuará a existir este ruído
bastante elevado quando comparado com o nível de sinal da deformação da lâmina. A
parte mais importante do espectro situa-se entre os 0Hz e os 30Hz, a partir daí existe
muito ruído, por essa razão filtra-se o sinal com um passa baixo com frequência de corte
a 30Hz. Assim é possível obter através da transformada inversa de Fourier um conjunto
de dados filtrados onde se eliminaram as componentes de ruído que não interessam para
caracterizar a assinatura. Obtém-se assim uma representação limpa do sinal em função
do tempo (Figura 44).
Figura 44 – Deformações da lâmina do engenho mono-lâmina filtradas
Nesta figura, cada cor corresponde à leitura de um extensómetro, todos eles
medem a deformação longitudinal da lâmina mas em vértices e faces diferentes dela.
Neste tipo de análise não é importante conhecer o valor absoluto das deformações, mas
apenas o seu comportamento ao longo do tempo. A componente continua também foi
eliminada do sinal para facilitar a determinação de alguns parâmetros da assinatura
característica do corte.
Para encontrar a assinatura de corte são sobrepostas consecutiva e sincronamente
a forma de todas as ondas. Estas definem um intervalo de variação característico da
situação de corte. A média e variância da sobreposição das curvas ao longo de um ciclo
JOÃO CAEIRO ANTUNES
54
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
definem os parâmetros das assinaturas características de corte. Uma análise de padrões
das curvas pode determinar imediatamente se o corte está ou não a ser bem realizado e
se é ou não aconselhável alterar um dos parâmetros operatórios (como é o caso da
velocidade de subida da rocha).
A figura seguinte exemplifica a sincronização do sinal com um método iterativo
que o aproxima a uma onda sinusoidal normalizada (Figura 45). Desta forma é possível
determinar a média e variância do sinal.
Figura 45 – Sincronização do sinal à onda sinusoidal normalizada.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
55
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Após a sincronização também é possível fazer uma representação tridimensional o
que revela a evolução temporal das deformações na lâmina (Figura 46).
Amplitude
(adimensional,
normalizada com
uma sinusóide de
amplitude 1)
Nº Ciclo
Fase do ciclo (adimensional, no intervalo [0,1])
Figura 46 – Representação tridimensional do sinal sincronizado.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
56
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
A técnica de sincronização através da onda sinusoidal permite ainda retirar
informação sobre a variação da amplitude, da frequência do atraso e do desvio (ou
“offset”) do sinal como se pode observar pelo seguinte conjunto de figuras (Figura 47).
Amplitude
2.05
Factor de
escala entre
o valor
medido e a
sinusóide
unitária
2
2.915
1.95
2.91
1.9
2.905
1.85
2.9
1.8
30
40
50
60
70
Frequencia
2.92
80
90
100
2.895
30
Factor de
escala entre a
frequência
medida e a
sinusóide de
ciclo unitário
40
50
Atraso
1
Factor de
atraso entre o
ciclo medido
e a sinusóide
com ciclo
unitário
5.8
0.8
5.6
0.7
5.4
0.6
5.2
40
50
60
70
Nº Ciclo
70
80
90
100
Offset
6
0.9
0.5
30
60
Nº Ciclo
Nº Ciclo
80
90
100
5
30
Desvio da
onda medida
em relação
ao zero da
sinusóide
unitária
(componente
continua)
40
50
60
70
80
90
100
Nº Ciclo
Figura 47 – Informação obtida da sincronização do sinal.
Esta informação é irrelevante na determinação da assinatura característica e
conclui-se que não possui dados que indiquem o mau funcionamento da ferramenta,
contudo a sua análise revelou que a alteração do desvio para o caso da mono-lâmina
(como se observa no gráfico) é devida à variação de pressão hidráulica no
tensionamento da lâmina. De facto a bomba de pressão para o tensionamento da lâmina
funciona ciclicamente com períodos bastante largos de modo a recuperar a tensão
perdida enquanto ela está desligada. Este facto aumentou a dificuldade para realizar o
processamento de sincronização através do software. No caso da multi-lâmina o desvio
é praticamente constante porque as lâminas são pré-tensionadas. Com o sistema de
sincronização por hardware o processamento da assinatura foi bastante mais facilitado.
No Anexo A encontra-se a primeira publicação apresentada na conferência de
Vila Viçosa sobre rochas ornamentais [Anexo A], contém uma breve descrição sobre os
problemas iniciais de sincronização e sobre as dificuldades que tiveram que ser
ultrapassadas para conseguir instrumentar os engenhos mono-lâmina e multi-lâmina.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
57
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Numa última análise realiza-se a comparação entre duas assinaturas de corte da
mesma lâmina, a primeira (Figura 48) corresponde a um corte ineficaz, em que o
operador da ferramenta detectou por experiência própria (“de ouvido”) uma anomalia. A
forma da assinatura é assimétrica não se encontrando alinhada no disco. A espessura da
curva torna-se irregular com variações bastante grandes se o corte é de pior qualidade.
Figura 48 – Assinatura de um mau corte
Após a paragem do engenho multi-lâmina o operador da ferramenta confirmou um
desvio lateral da lâmina e colocou um calço para efectuar a sua compensação. A pouco
e pouco analisou-se uma evolução da assinatura retomando uma maior simetria e
estabilizando numa curva mais cheia de espessura regular (Figura 49). De facto o corte
melhorou significativamente.
Figura 49 – Assinatura de um bom corte
Para realizar uma análise quantitativa foram calculadas as percentagens das áreas
de cada assinatura em função da área do disco em que se inscrevem. Estes resultados
produzem grandezas escalares que podem ser comparadas directamente umas com as
outras, ou gerando alarmes quando ultrapassam os limites pré-estabelecidos.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
58
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
9. Conclusões
O desenvolvimento deste projecto revelou grandes avanços a nível tecnológico,
começando inclusive a suscitar interesse por parte de terceiros que estão directa ou
indirectamente envolvidos nele, como é o caso do CEVALOR a quem se agradece a
colaboração.
A indústria de corte e acabamento de rochas ornamentais tem muito a ganhar com
este tipo de sistemas automatizados e inteligentes, capazes de responder aos utilizadores
de forma eficaz e rentável. Verificou-se que é possível identificar problemas de corte
utilizando a análise de assinaturas e que o equipamento e o software desenvolvido
funcionam de forma correcta e eficiente. Este sistema pode ainda ser aplicado a outras
ferramentas que apresentem um comportamento semelhante aos engenhos de corte de
rochas, podendo virem a beneficiar deste tipo de análise de assinaturas.
O equipamento escolhido, os métodos de instrumentação da ferramenta e o
software que foram desenvolvidos revelaram ser capazes de produzir medições muito
rigorosas e detalhadas. Actualmente é possível registar e catalogar numerosos ensaios
disponibilizando toda a informação necessária à classificação dos processos de corte.
A informação pode ser reunida numa base de dados que aumenta à medida que
mais ensaios e testes de engenhos forem decorrendo. É necessário conjugar diferentes
situações de corte, tais como, escolher rochas com propriedades diferentes, alterar a
geometria das lâminas de corte, modificar as velocidades de trabalho do engenho para
poder relacionar e completar todo o domínio de factores que alteram a assinatura
característica dos processos de corte.
Com o decorrer de futuros projectos nesta área poderá tornar-se disponível uma
base de dados que permita completar o software de interface com o utilizador da
ferramenta, dando-lhe instruções sobre como deve proceder para optimizar o processo
de corte.
Alguns dos problemas nas técnicas de medição como é o caso do ruído e efeitos
da temperatura podem ser resolvidas rapidamente utilizando as técnicas citadas
anteriormente. Constatou-se que os enormes motores eléctricos que equipam os
engenhos produzem campos eléctricos muito fortes, estes induzem ruído nos cabos que
transportam o sinal das deformações da lâmina para o equipamento de medição. A
solução passa pela protecção do equipamento e dos condutores contra esse campo
eléctrico. Outra dificuldade consiste em garantir a fiabilidade da instalação eléctrica dos
sensores, isto deve-se sobretudo ao tipo de movimento mecânico das máquinas e
também às condições ambientais a que estão sujeitos os sensores e cabos. Importa ainda
estudar formas de proteger a instalação contra a lama e a água utilizada no corte das
rochas e também formas de evitar que pedaços de rocha projectados pelo corte destruam
os sensores.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
59
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
10. Trabalho futuro
O trabalho futuro do sistema de medição de deformações das lâminas de corte
passará essencialmente pela optimização e melhoria da quantidade e qualidade dos
sinais adquiridos. A nível qualitativo impõe-se a resolução do problema da variação de
temperatura ao longo do dia sobre os extensómetros e sobre a cablagem assim como a
protecção electrostática dos mesmos [15, pág. 313-320]. A nível quantitativo pretendese aumentar o número de sensores de deformação. Poderá ir até 16 sensores com 2
extensómetros cada ou então 32 sensores cada um com um extensómetro que
proporcionará uma análise muito mais detalhada do engenho multi-lâmina. Esta nova
configuração do sistema, atingirá assim a capacidade máxima para a qual o projecto foi
inicialmente desenhado.
Além do já citado atrás, um projecto novo permitirá desenvolver o software final
para interagir com o utilizador dos engenhos a partir de uma interface “amigável”. Ele
correlacionara as bases de dados e as assinaturas de corte com algoritmos de
processamento em tempo real que respondem ao utilizador e o aconselham a actuar de
determinada maneira. Optimizar o processo de corte de um parque de máquinas
ferramenta será a partir desse momento fácil, intuitivo e talvez automatizável. A
evolução das redes informáticas actuais permite ainda desenvolver a aplicação de forma
a avisar um gestor remoto do estado do parque de máquinas ferramentas, este aviso
poderá ser realizado através do computador ou de uma rede celular de telemóveis
conduzindo a uma gestão eficiente e lucrativa.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
60
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
11. Referências
[1]
S.D. Antunes, J. Antunes, L. Guerra Rosa, C.A. Anjinho, P.M. Amaral and
J. Cruz Fernandes, A Monitoring System to Study and Optimise Machinery
used for the Ornamental Stone Processing, apresentado no II congresso
internacional da pedra natural em Vila Viçosa, Outubro 2000.
[2] S.D. Antunes, J. Antunes, L. Guerra Rosa, C.A. Anjinho, Ornamental Stone
Cutting Optimisation Through “Signature Analysis”, paper a publicar na
revista ROC Maquina, Setembro 2001.
[3] Relatório de actividades do Eng. João Antunes referentes ao Projecto
PRAXIS /2/2.1/TPAR/2026/95 – Avaliação do comportamento de
ferramentas diamantadas nos processos de corte e acabamento de rochas
ornamentais, de Dezembro 1999 a Novembro 2000.
[4] Relatório de actividades do Eng. Carlos Anjinho referentes ao Projecto
PRAXIS /2/2.1/TPAR/2026/95 – Avaliação do comportamento de
ferramentas diamantadas nos processos de corte e acabamento de rochas
ornamentais, de Dezembro 1999 a Novembro 2000.
[5] L. Guerra Rosa, P.M. Amaral, C.A. Anjinho, J. Cruz Fernandes, J. Antunes
and S.D. Antunes Ornamental Stone Processing - New Methodologies for
the Characterisation of Petreous Materials and Diamond Tool Behaviour,
apresentado no II congresso internacional da pedra natural em Vila Viçosa,
Outubro 2000.
[6] Sensors and Signal Conditioning
Ramón Pallás-Areny, John G.Webster
John Willey & Sons, INC
[7]
Measurement and Automation Catalogue
National Instruments 1999
[8]
Guide to Strain Gauges
Philips
N. Labordus Ing., Ir. T. Potma
[9]
Application of B & K Equipment to Strain Measurements
Brüel & Kjær
John Vaughan
[10] Strain Gauges
Merrow
E. J. Hearn
JOÃO CAEIRO ANTUNES
61
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
[11] Branco, C.M., – Mecânica dos Materiais,
3ª Edição da Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa, 1985
[12] Beer, F.P. e E.R. Johston, Jr. – Resistência dos Materiais,
Ed. McGraw-Hill, São Paulo, 1989 2ª Ed.
[13] Richard C. Dorf – Introduction to Electric Circuits,
Ed. John Wiley & Sons, Inc, 1993 2ª Ed.
[14] António Pertence Júnior, Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos,
Teoria, Projectos, Aplicações, Laboratório
Ed. McGraw-Hill, 1988
[15] Jean Avril, Encyclopedie D’Analyse dês Contraintes, Micromesures
[16] Grupo de Medidas Ibérica, s.l., Curso Prático de Instrumentación,
Vishay, Measurments Group
[17] Ministério das obras públicas, Curso de extensometria,
Laboratório de Engenharia Civil, Volume I, Lisboa 1964
[18] Les Hancock, Morris Krieger, The C Primer
McGraw-Hill, 2º Ed.
[19] Brian W. Kernighan, Dennis M. Ritchie, C A Linguagem de Programação,
Edisa, Editora Campus, 1986
[20] Internet, http://msdn.microsoft.com/vbasic
Visual Studio
Visual Basic
[21] Internet, http://www.ni.com
Technical Documents
LabView Resources
JOÃO CAEIRO ANTUNES
62
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
12. Anexo A
Este anexo contém a primeira publicação do projecto AVRochas apresentada na
conferência de Vila Viçosa que foi realizada para dar a conhecer aos industriais a
possibilidade de aplicar estas metodologias inovadoras na indústria de processamento de
rochas ornamentais. A publicação foi apresentada na conferência anual sobre rochas
ornamentais.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
63
A Monitoring System to Study and Optimise
Machinery used for the Ornamental Stone
Processing
S.D. Antunes(*), J. Antunes(*), L. Guerra Rosa(**), C.A. Anjinho (**), P.M. Amaral(**)
and J. Cruz Fernandes(**)
(*) Departamento de Engenharia Mecânica - Instituto Superior Técnico
Av. Rovisco Pais – 1049-001 Lisboa Mail: [email protected]
(**) Departamento de Engenharia de Materiais - Instituto Superior Técnico
Av. Rovisco Pais – 1049-001 Lisboa Mail: [email protected]
Abstract
Following the objectives established in a
portuguese funded research project (running in
the period 1999-2001) under PRAXIS XXI
programme, an innovative investigation was
carried out, aiming the study of machine-tools
for ornamental stone processing. The main
goal is to optimize the machinery working
parameters by measuring the tools deformation
under a significant variety of working
conditions. The output signal can be
transformed into a so-called “machine
signature”, whose particular shape is assessed
for each type of equipment. The herein
described work comprises preliminary studies
of on-line stress measurements in both mono
and multi-gangsaw machines for producing
marble slabs, using modern analysis of strain
gauge data.
1. Introduction
1.1. Machinery for the ornamental stone
industry
The machinery used in ornamental stone
industry can be divided in two distinct parts:
Machinery used for quarrying ornamental
stone and machinery for processing and
elaborating ornamental stone (cutting, grinding
and polishing).
Normally the equipments used in certain
quarries depend mainly on the type of stone to
be extracted and its abrasive properties.
Usually two or more combined types of
quarrying techniques are used in the same
quarry instead of only one technique. For
instance, in quarries where diamond wire is
used for quarrying, drills are later used to
separate the block from the face of the quarry.
Within these techniques are, the flame jet, the
diamond wire machinery, the diamond belt
sawing machines and the water jet cutting
equipment.
Processing and elaborating ornamental
stone covers from the moment the block
reaches the workshop until it is processed into
a certain product. The first phase of this
process is transforming a stone block into
slabs, which may have different thickness
(normally from 2 or 3 cm), later used to make
different sized pieces. One of the foremost
applied cutting technology is the multiple
blade gangsaw. In gangsaws (mainly used on
marble), the block is sawed through friction of
the blade itself against the stone. The blade
used for this process has a set of diamond
segments encrusted in the steel structure.
In what concerns our work this type of
equipment is very important, due to its
enormous importance in the actual Portuguese
industry. Thus, all our experimental work was
made essentially in this type of equipment,
trying to provide useful indication for the
optimisation of its parameters.
1.2. Machinery Problems – case study of
the multiple blade gangsaw
Industrial machines are normally submitted
to very severe environments. It is not easy to
introduce any sort of optimisations into the
machine parameters during normal operational
procedures. Problems are handled and, if
possible, solved as they appear, without any
regular intervention from the operational staff.
Using the multi-blade gangsaw case study
to exemplify, it is possible to identify the usual
origins of these problems, either originated by
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
the working parameters of the machine or
diamond tools used for each kind of stone to
be processed.
1.2.1. Cutting velocity
The cutting velocity depends mainly on the
stone to cut. If the stone is very hard, the
cutting velocity is normally slower, and higher
if the stone is softer.
1.2.2. Water flow rate
The water flow rate is another factor,
which must be taken into account. The water is
used to lower the temperature (especially on
the diamond interface), lubricate (reduction the
friction between the diamond and the stones
surface), wash (removing splinters and sludge
produced as the stone is cut) and ease
precipitation of this sludge. The water
effectiveness depends on the segment
composition, on the concentration of the
diamond and on the main features of the stone
to be processed. In this sense, optimising the
water flow rate can lengthen gangsaw life.
1.2.3. Diamond tools
In this particular case we must define the
best gangsaw. In terms of the nucleus
(equivalent to the disk rim) it is normally made
of stainless steel, being the most important
feature the interaction between the matrix and
the diamond for the application in use.
1.2.4. Stone Material
As we know ornamental stones are natural
materials, so its microstructure (mineralogical
composition, phase content and distribution)
has a significant variation, even within the
same block of stone. Sometimes it is also very
irregular in terms of internal defects (internal
cracks, large inclusions). This will bring many
difficulties in terms of the cutting operation.
Parameters such as stone mechanical
properties and wear resistance are fundamental
to understand the processing behaviour.
Usually the cut process of rocks is
performed by operators with several years of
experience in machinery work in mono and
multi-blade gangsaw. The actions taken along
the process by the operators, such as,
adjustments of cutting velocity,
the
replacement of blades or parts of machinery,
the calibration of sag (bending displacement)
were optimised by an attempt and error
approach which lead to a learned knowledge,
the so called 'know how'. New operators can
learn with their colleagues to maximize their
work ability.
The objectif behind our work is to get and
store this knowledge simultaneously with
quantitative and qualitative measurements of
cutting process (blade deformation, type of
rocks, cut velocity): using signature analysis
(cutting signature) and qualitative information
about cutting process we can establish a
database for the machine tool.
The database will be used by specific
software capable of processing information
and answer in real time to a non-expert person
about the efficiency of current cutting process.
Our goal is to maximize the efficiency of
the cutting process maximizing flatness on
both surfaces, speed of cut, minimize wear of
machinery and blades and simultaneously the
cost of the process, optimise and enable the
work of experts or non experts operators.
1.4. Solutions through gauging systems
One possible way (probably the most
successful for many applications) to interpret
and solve these particular problems originated
by the machine-tools equipment for cutting
stone slabs can be done by analysing the forces
occurred during the cutting process. Through
gauging systems we can characterise
parametrically the shape of one wave and
compare it with an optimised cutting
procedure, identifying the type and dimension
of the stone, blade (composition of the matrix
and the diamond) and the ordinary work
parameters. All these parameters can define
one possible cutting signature.
The definition of cutting signature can be
given by “the way as the value and the shape
progresses, during the stationary cut process”.
1.3. Operator versus case study
2. Experimental Work
JOÃO CAEIRO ANTUNES
65
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
As it was previously mentioned the main
objective of this work was perform several
measuring tests in order to assess the cut
signature of a multi-blade gangsaw. These
tests were made in the Cevalor – Borba, using
both mono (preliminary stages) and multiblade gang-saw machine tools.
The first step of our work to assess the
necessary stress parameters was determine the
best form to measure the strains by using the
traditional a strain gauging system. Because it
is very difficult to apply strain gauging directly
in the blade, an alternative system was
developed, ensuring accuracy and easy to
apply. Therefore was developed a sensor based
on strain gauges applied in an aluminium thin
plate, which was then strengthen in two
forceps of stainless steel fixed in the blade (see
Fig. 1). This system has suffered many
changes since its first version. Several
problems had to be solved, mainly due to its
design, in order to be applied in almost any
condition.
Figure 2 – Experimental set-up diagram.
Figure 3 – Experimental set-up. Laptop
computer and acquisition system.
Figure 1 –The system used to determine the
efficiency of multi blade gangsaw in action.
(measurement of stress behaviour of blades).
The next stage is to connect the strain
gauge to a laptop PC using a PCMCIA for data
acquisition. This is the simplest way to install
and acquire experimental data in the field,
which is later analysed (see Fig. 2 and 3).
Later a dedicated system will be developed for
each machine tool. The installation speed,
versatility and upgradability of more channels
were studied in order to minimize the set-up
time reducing overheads in the future.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
The results are then processed by
conventional computer software. From this
analysis it is possible to obtain curves of
normalised tension (YY) in order to time
(XX). Using filtering techniques (based on
Fourier transform) we can eliminate noise due
to the mains interference.
After this procedure we can store the signal
with the remaining information concerning the
cutting process.
2.1. Experimental Problems
2.1.1. Major problems
One of the difficulties was to find solutions
to protect the strain gauge, wires and welding,
from the water. The solution was embedding
the system cables and connectors on silicone
and epoxy resin. This method allows
waterproof strain gauges, cables and
connectors (see Fig. 4).
66
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Figure 5 - The blade.
Figure 6 - Forces in the blade.
Figure 4 – Strain gauge protected from water
and immobilizing system ready to be used.
3. Results
2.1.2. Robustness of sensors
Another important difficulty was to
transport the wires avoiding them to be broken
during the work procedure. The wires must be
flexible enough and protected with rubber all
around of it, to hold the dynamic movements
of blades. The flat cable is the best solution
found.
As it was previously mentioned, we have to
take into account the electric mains
interference (50 Hz). The signal must be
filtered in two different ways, one of them
consists in enabling an hardware filter inside
the data acquisition system. The other way is
to filter the signal with software. With them
both we can eliminate all the noise and obtain
the fundamental components of blade
deformations. The cable connectors must be
also water resistant.
Detailed analysis of deformation forces
must be taken into account, in order to
establish signature analysis. Longitudinal and
transversal components of the forces on the
blade are treated by the following method: the
stone reaction forces are distributed all over
the blade; the tension forces applied to the
blade by the stretchers are simulated with two
pointed forces just as the reaction of the blade
support in the vertical axis (Fig. 5 and 6).
Using this group of forces we can estimate the
theoretical profile along the blade and the
shape evolution with a simulated dynamic.
After this, we compare theoretical results with
the measured ones.
The data acquisition system and software
are prepared to acquire 32 channels
simultaneously at sampling frequencies up to
10KHz but frequencies of 100 Hz or 200 Hz
are enough. The time interval of acquisition
was normally of 1 minute to reduce the data
storage space.
The application 'AnDef' - Deformation
Analysis (fig. 7), was developed in Visual
Basic language to acquire data with National
Instruments equipment. This program is
interactive and show acquisition results in real
time, the data of interest can be selected and
saved in a file with extension '.log'. Matlab or
any other program can read this file.
Figure 7 - AnDef application for real time
data acquisition and analysis.
This wave is the typical result obtained
from one acquisition channel witch was
mounted in the longitudinal axis of the blade
utilizing the 'AnDef' software.
Then raw data is filtered and processed
with a Matlab program witch can be seen in
figures 7, 8, 9 and 10.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
67
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Figure 7 - Evolution of longitudinal stresses in
the beginning of the cutting process. Amplitude
versus time. The continuous curve is obtained
from the dashed one by filtering techniques.
4. Conclusions and future work
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
Figure 10 - Calculated results of amplitude,
frequency, phase and offset shift respectively,
obtained from the normalization.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Figure 8 - Normalized profile showing the
shape evolution in time.
The evolution of the work shows important
variation results of the calculated parameters:
amplitude, frequency phase and offset shift.
Those parameters simultaneously with the
normalized shape can be treated as the
signature of the cutting process in one blade.
This information and the rock and blade
characteristics are stored for the maximum
number of blades in the case of the multi
gangsaw machine. The quality and efficiency
of the cut is also measured qualitatively with
the help of the operators 'know how'.
This way we can correlate all the data and
distinguish the machine signature for a
specified work condition. We are now
combining and changing the work conditions
to generate several signatures and store them
in a database.
The software application being developed
will support a real time comparison and
analysis of the actual measured machine
signature with the ones stored in the database.
This way we will be capable to identify and
decide when the cutting process is out of the
correct working conditions and tell the
operator throw a user-friendly application what
he must change or carry out to avoid such
problems.
Figure 9 - Normalized profile in 3D showing
the shape evolution versus time.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
Methods for measuring, data acquisition
and data processing, based on signature
analysis, have been tested in order to establish
a knowledge database for each machine tool.
Currently we intend to apply this method to a
68
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
bigger number of processes in order to verify
the validity of the process.
5. Acknowledgement
We gratefully acknowledge the support
from all the CEVALOR staff. This research
was financed through Portuguese Project
PRAXIS
XXI
contract
no.
2/2.1/TPAR/2026/95
'Avaliação
do
comportamento de ferramentas diamantadas
nos processos de corte e acabamento de rochas
ornamentais'. One of the authors (PM Amaral)
acknowledges his current FCT (Portuguese
Foundation for Science and Technology) Ph.D.
grant.
6. References
- Ramón Pallás-Areny, John G.Webster,
Sensors and Signal Conditioning, ed. John
Willey & Sons, INC
- Measurement and Automation Catalogue,
ed. National Instruments 1999
- N. Labordus, T. Potma, Guide to Strain
Gauges, ed. Philips
- John Vaughan, Application of B & K
Equipment to Strain Measurements, ed. Brüel
& Kjær
- E. J. Hearn, Strain Gauges, ed. Merrow
JOÃO CAEIRO ANTUNES
69
13. Anexo B
Este anexo reproduz a publicação do artigo sobre o projecto AVRochas na
revista ROC Máquina (espanhola). Esta revista é uma referência de consulta no
mercado internacional e permite divulgar esta metodologia inovadora além fronteiras
[2].
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Ornamental Stone Cutting Optimisation Through
“Signature Analysis”
S.D. Antunes(*), J. Antunes(*), L. Guerra Rosa(**) and C.A. Anjinho (**)
(*) Departamento de Engenharia Mecânica - Instituto Superior Técnico
Av. Rovisco Pais – 1049-001 Lisboa Mail: [email protected]
(**) Departamento de Engenharia de Materiais - Instituto Superior Técnico
Av. Rovisco Pais – 1049-001 Lisboa Mail: [email protected]
Abstract
On a research project under PRAXIS XXI programme, an innovative
investigation was carried out, based in the signature cutting analysis to optimise
quality and efficiency.
The measurement method consists in analysing cutting forces on mono and
multi-gangsaw machine blades. The methodology based on machine working
parameters and in real time “cutting signature” enables automatic cutting process
supervision and control.
1. Introduction
Segmented diamond tools were
introduced to the processing of natural
stone such as marble and granite about
25 years ago. Since then they have
without doubt revolutionised the entire
stone processing sector by enabling
dramatically
increased
material
removal rates to be achieved compared
with conventional gang sawing
techniques. This is especially true in
the processing of marble, where the
production of modular elements for the
construction industry has been
facilitated by the machine and tool
developments that have taken place in
recent years [1].
We are interested in studying
mono and multi-gangsaw machines, as
JOÃO CAEIRO ANTUNES
they are typical applications
segmented diamond tools.
of
The blade is an important part of
the sawing system, it is made of a sheet
of carbon steel. In the case of
gangsaws for use with marble, the
blade itself saws the block with
diamond segments encrusted in its
surface.
The parameters to be taken into
account when choosing one blade or
another are as follow:
- Blade thickness;
- Blade width;
- Blade resistance and duration
[2].
The main goal of this study is to
optimise the cut process, adjusting the
71
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
machinery working parameters and the
materials involved in the process [3].
This is done, by measuring the tools
deformation under a variety of working
conditions: different kinds of materials
for cutting and different cut velocities
(advance and penetration velocity in
the material). The deformation is the
measured output signal and can be
transformed into a so called “machine
signature”. Its shape is particular to the
each
equipment
and
working
conditions.
The project PRAXIS XXI 2/2.1/
Avaliação
do
TPAR/2026/95:
comportamento
de
ferramentas
diamantadas nos processos de corte e
acabamento de rochas ornamentais,
develops and tests the analysis system
based in “cutting signatures”.
Presently we are making
systematic industrial experiments using
the data acquisition systems and the
software developed on machinery,
working in the Portuguese industry.
2. Experimental Work
As it was previously mentioned
the main objective of this work was
perform several measuring tests in
order to assess the cutting signature of
a multi-blade gangsaw. These tests
were made in the Cevalor – Borba,
using both mono (preliminary stages)
and multi-blade gangsaw machine
tools.
The first step of our work is to
find out the best form to measure the
strains and the stress parameters using
traditional strain gauges. Because it is
very difficult to apply strain gauges
directly in the blade, an alternative
system was developed, ensuring
accuracy,
flexibility
and
easy
installation. Therefore, a deformation
sensor was developed with a strain
gauge applied to a thin aluminium
plate, which was then strengthen in
two forceps of stainless steel fixed in
the blade (see Fig. 1).
This industrial experiments will
be used, to obtain a database
corresponding
to
the
“cutting
signature” in different conditions.
The goals of this database are:
1. Give the operator the choice of
the best working parameters to be used
in the processing of one specific
ornamental stone (mainly marble).
2. Supervision of the cutting
process in real time enables changes of
the cutting parameters and can avoid
problems when something goes wrong.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
Figure 1 – Sensor used for measuring
signature analysis (stress behaviour of blades).
After the installation of the
necessary strain gauges we need to
acquire deformation data. The simplest
way to install and acquire experimental
data in the field is to use a laptop PC
with a PCMCIA card (see Fig. 2).
72
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
The raw database is processed through
software developed in Matlab and
LabView, resulting in signature
database characteristics of the cutting
process.
Cutting signatures are images of mean
and variance of blade extensions
through several machinery cycles, and it is
Figure 2 – Experimental set-up. Laptop
computer and data acquisition system.
Normally the number of strain
gauges is equal to the number of
analysed blades, but for higher
accuracy we used two gauges for each
blade mounted in half bridge (witch
doubles the gain and compensate the
influence of temperature). As the
number of analysed blades can change
(up to 60 blades for a multi-gang saw
machine) we needed to develop a
robustness and efficient system. The
installation speed, versatility and
upgradability of more channels were
studied in order to minimise the set-up
time, reducing overheads in the future.
It is important to refer that the
setting time of this portable system it is
very short (less than 15 minutes).
Quick diagnostics of machines
(multiple blade gangsaw) can be
performed to check out the problems
and report real time solutions to
improve cutting process.
Measurements
are
stored
and
constitute a raw database, for a later
processing.
This
database
has
information about all operating
parameters, such as: measured
deformations of the blades over time,
type of stone, time of the cutting
process, blade type and information
about problems witch occurs during
the process. This database is called,
raw database.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
possible to compare every cycle signature with
mean and variance signatures.
The database of signatures is
created throw signatures collected for
different cutting scenarios such as
different mono and multiblade
gangsaws and different kinds of stones
(marble and granite) and blades and
variations of cutting parameters (such
as the cutting velocity and the blade
advance).
It is important to make a detailed
analysis of the relation between blade
deformations and longitudinal and
transversal components of the applied
forces and the signatures.
The analysis was performed
throw a simplified simulation model.
The reaction forces of the stone
are distributed all over the blade and
the reaction of the stretch tensors are
simulated with 4 forces applied in
corners of the blade (fig. 3 e 4). With
this group of forces we can draw the
theoretic profile all over the blade and
the dynamic evolution of the profile in
time (fig. 5). This simulation was
developed in Matlab and allows us to
compare theoretical and experimental
results [3].
Figure 3 – The blade.
73
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
Figure 4 – Forces applied to the blade.
Figure 6 – ‘AnDef’ software – real time data
acquisition and analysis.
Figure 5 – Dynamic simulation of the
signature profile over time.
3. Results
The data acquisition system used
can
handle
32
channels
simultaneously,
with
sampling
frequencies of 10000 samples/s. The
sampling period can be configured to
acquire n minutes of data, this time (n)
is set according to the signature quality
and precision desired, and to avoid the
excess of data stored in the computer.
For a more detailed analysis we can
acquire up to one hour of continuous
data.
The developed software: ‘AnDef’
– Análise de deformações (fig. 6),
developed in Visual Basic, it is an
interactive human-machine interface
witch gives the operator a real time
surveillance system of the cutting
process. The more important results
can be selected and stored in a file with
‘. log’ extension. Matlab or any other
program can be used to read this file
and process the results in a more
detailed analysis.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
Figure 6, shows the typical waveform acquired
from several channels corresponding to the longitudinal
axis of the cutting blades using ‘AnDef’ [3].
The resulting sampling data is
filtered and processed with a program
written in Matlab where several
parameters can be adjusted to obtain
the signature of the cutting process.
Figure 7, shows the obtained results.
Figure 7 – Evolution of the longitudinal
deformations in the beginning of the cutting
process: amplitude versus time. The smoothest
curve is obtained with digital filtering
techniques.
4. Analysis and Discussion of
Results
As an example we can analyse a
situation occurred in 23 March 2001.
All the data are stored with
information of the time and the
74
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
conditions of the acquisition, so that
we can compare old and new
signatures.
One
of
the
systematic
experiments shows the evolution of the
cutting blade number 16 of the
multiblade machinery in Cevalor. The
cutting rock at that time was ‘Creme
Pardais’ and the diamond blade was
already wear so this blade was
expected to drift from the normal
trajectory.
With the acquired data and after
some processing tasks it is possible to
watch by means of the mean and
variance graphs that the blade is not
cutting well (fig. 8), because there is a
big amplitude and variance of the
obtained signature when compared
with the reference signature (fig. 9),
this one obtained with a good quality
cut.
Figure 8 – Mean and variance graph, when
there are anomalies of the cutting process.
reference, when the cutting process is
considered good.
To verify that the blade was not
cutting correctly the multiblade
machine was stopped and the blade 16
presented some drift to the left, slightly
touching the stone block.
To solve this problem some
wedges were placed between blades
(witch is the normal proceedings of the
machine operator) and the cut was
restarted. The data acquisition and
surveillance shows that after 10
minutes the cut signature was
progressively better (fig. 10). This is
observed with the evolution of the
signature to the reference signature
characteristic; the amplitude and
variance tend to be smaller.
Figure 10 – Mean and variance graph, after
10 minutes of the correction (use of wedges).
More data was analysed 30
minutes later and the signatures
showed that the cut was back to the
optimal state.
Figure 9 – Mean and variance graph of
JOÃO CAEIRO ANTUNES
This type of analyses can be
performed in real time for all the
blades of the multiblade machine. This
means that it is possible to know witch
blades do not have a good performance
without the need to stop the machine.
It is possible to quantify witch blade is
the best and witch one is the worst.
75
A ANÁLISE DE ASSINATURA NO CONTROLO DA QUALIDADE DE PROCESSOS
DISSERTAÇÃO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
The measurement system can then
generate an alarm when one of the
blades is outside the cutting admissible
performance and quality. The operator
is then informed to stop the machine
and introduce the necessary corrections
to the system.
5. Conclusions
Real time analysis of the “cutting
signature” enable us to control and
optimise the cutting conditions to
obtain a better and faster cut with
better geometrical qualities.
[4] Ramón Pallás-Areny, John
G.Webster, Sensors and Signal
Conditioning, ed. John Willey & Sons,
INC.
[5]
Measurement
and
Automation Catalogue, ed. National
Instruments 1999.
[6] N. Labordus, T. Potma,
Guide to Strain Gauges, ed. Philips.
[7] John Vaughan, Application of
B & K Equipment to Strain
Measurements, ed. Brüel & Kjær.
[8] E. J. Hearn, Strain Gauges,
ed. Merrow.
Presently the developed software
‘AnDef’ was transformed into one
virtual instrument so that it can be
connected to any kind of acquisition
hardware with increased versatility.
This study has been carried out
with the PRAXIS XXI 2/2.1/TPAR/
2026/95 project: ‘Avaliação do
comportamento
de
ferramentas
diamantadas nos processos de corte e
acabamento de rochas ornamentais’.
6. References
[1] J. Asche, Deep grinding – a
new dimension in cutting granite,
Industrial Diamond review 2 / 1999;
[2] Anon, Machinery for the
natural stone sector, Roc Maquina
1996 (22) pp 131-149 (Sep);
[3] Antunes, S.D., Antunes, J.,
Guerra Rosa, L., Anjinho, C.A.,
Amaral P.M. and Cruz Fernandes, J., A
Monitoring System to Study and
Optimise Machinery used for the
Ornamental
Stone
Processing,
apresentado
no
II
Congresso
Internacional da Pedra Natural em Vila
Viçosa, 5-7 de Outubro 2000.
JOÃO CAEIRO ANTUNES
76