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Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS Laboratório de Transformação Mecânica - LdTM

Prof. Dr.-Ing. Lirio Schaeffer

Porto Alegre: Centro de Tecnologia - CT 1/20

Medição de Força para Supervisão doProcesso de Forjamento

Arno Richter

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Conteúdo 2/20

Arno Richter

Conteúdo:

1. Introdução Medição em processos de fabricação: PORQUE ?

2. Medição de diferentes grandezas físcas 2.1 Força 2.1.1 Extensometria (Strain Gauges) 2.1.2 A ponte de Wheatstone 2.1.3 Células de carga 2.2 Deslocamento 3. Supervisão de processos

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1. Introdução 3/20

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Medição em Processos de Fabricação: PORQUE ?

• Indústria / Produção: - otimização de processos existentes, - obter os esforços p/ escolha de máquinas ferramenta, - planejamento de processos novos; • Indústria / Manutenção de Qualidade: - supervisão de processos; • Pesquisa: - pesquisa básica, - verficar resultados de cálculos.

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2. Medição de diferentes grandezas físcas / 2.1 Força 4/20

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A partir do ponto de vista da medição existem três gruposprincipais de grandezas físicas:• grandezas que podem ser medidas através da simples comparação com uma escala ou um padrão simples: comprimento: metro, ângulo: transferidor, peso: comparação com padrões;

• grandezas que podem ser medidas somente através da observação e avaliação dos efeitos deles: intensidade de corrente: amperímetro, temperatura: termômetro;

• e grandezas que exigem o uso te equipamentos especiais: tempo: relôgio.

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2.1 Força 5/20

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A força é uma grandeza física que não pode ser medida através decompação com uma escala.A medição da força é realizada através da observação e avaliaçãoda deformação de corpos elásticos.Os equipamentos mais simples são baseados na deformação de molas que são equipadas com escalas.Medições em máquinas e outros equipamentos são efetuadas comcélulas de carga a base de extensômetros (inglês: strain gauges).Este método de medição é chamado extensometria. O extensômetroé um condutor elétrico que é fixado na superfície do corpo que serádeformado. Com a deformação o extensômetro se deforma também,o que causa uma alteração de sua resistência à passagem de corrente.

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2.1.1 Extensometria 6/20

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Esta aleração da resistência depende do sentido da deformaçãoe do material do condutor.

A fórmula geral para a resistência de um condutor elétrico é:

RlA

com:R resistência, resistividade,l comprimento eA área da secção.

Nesta fórmula é visivel que qualquer alteração do comprimento do condutor necessáriamente causa um aumento da resistência.

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2.1.1 Extensometria 7/20

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Considerando o fato que as deformações elásticas nas superfíciesde corpos metálicos são muito pequenas (até 0,2%) é visível que asalterações da resistência elétrica dos extensômetros também sãomuito pequenas.

Por isso é muito difícil medir/avaliar estas alterações. A medição p.ex. com um multímetro é totalmente impossível!

Extensômetros são construídos de modo que o condutor é fixadoem vários laços para aumentar o comprimento dele. Isto aumenta o valor absoluto da alteração da resistência dele. O valor relativoda alteração da resistencia dele pode ser influenciado através daescolha do material para os condutores.

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2.1.1 Extensometria 8/20

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a) substrato isolanteb) condutorc) contatos para ligaçãod) comprimento do condutor

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2.1.1 Extensometria 9/20

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Os condutores de extensômetros modernos são produzidas a partirde lâminas metálicas. São montados entre duas folhas de plástico para facilitar o manuseio.

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2.1.1 Extensometria 10/20

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O material do condutor também tem influência. Os materiais mais utilizados são constantã, NiCr e platina.(constantã é uma liga de 57% de cobre e 43% de níquel)

material resistividade

fator k

constantã 0,48 1,8 ... 2,2NiCr 2,1 ... 2,4

platina 0,111 3,5 ... 3,9

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2.1.2 A ponte de Wheatstone 11/20

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R1, R2, R3 e R4: resistências da ponte

preferencialmenteR1 = R2 = R3 = R4

ue: tensão de entrada,tensão de alimentação

ua: tensão de saída

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2.1.2 A ponte de Wheatstone 12/20

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uR

R Rue4

4

3 4

u

RR R

ue11

1 2

u uR

R RR

R Ra e

1

1 2

4

3 4

u u ua 1 4

)()( 4321

4231

43

4

21

1

RRRRRRRR

RRR

RRR

uue

a

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2.1.2 A ponte de Wheatstone

Condições para equilíbrio (ua = 0):

4321 RRRR ou3

4

2

1

RR

RR

As alterações das resitências são muito pequenas em comaparaçãocom os valores das resistências:

RR

4

4

3

3

2

2

1

1

41

RR

RR

RR

RR

uu

e

a

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2.1.2 A ponte de Wheatstone

ii

i kRR

Assim é possível relacionar a deformação do strain gauge com a alteração da resistência introduzindo o fator k.

Conforme as necessidades da aplicação são usadas pontes com um, dois, três ou quatro strain gauges. A ponte com quatro strain gauges ativos é chamada “ponte completa”. Ela ofereçe mais vantagens devido à eliminação de erros causados por variações de temperatura ou por efeitos de flexão.

Células de carga preferencialmente são executados em forma deuma ponte completa.

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2.1.2 A ponte de Wheatstone

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2.1.2 A ponte de Wheatstone

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2.1.3 Células de carga

Uma célula de carga é um corpo elásticode aço ferramenta temperado no qual osextensômetros são aplicados.

As dimensões deste corpo são escolhidosde forma que ele sofre uma deformaçãomáxima de 0,1% (para evitar a plastificaçãodo corpo e dos extensômetros).

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2.2 Deslocamento

u

u0

R

SEm muitas processos éimportante ter um sinal dereferência. Isto pode ser o tempo,o deslocamento da ferramentaou ó ângulo do eixo de manivelada prensa (caso trata uma prensa mecânica).

O deslocamento linear pode ser medido com um sensor em forma de um potenciômetro linear. Uma grande variedade destes equipamentos encontra-se no mercado. Vantagens destes sensoressão a linearidade da curva característica e o baixo custo.

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3. Supervisão de processos 19/20

AD

AD

punçãomatriz

prensa

amplificador

amplificador conversor

conversor

tela

interface impressora

sensor de deslocamento

amplificador

erro

amplificador externo

µPprocessador

aviso

unidade central

8 teclas

comando da prensacélula de carga

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3. Supervisão de processos