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
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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