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FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA

CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA

MEIRIELY MARTINELLI DE FREITAS

D. P. F. M. P. – DISPOSITIVO PADRONIZADOR DE FORÇA DE MEDIÇÃO PARA

PAQUÍMETROS.

Orientador: Professor Fabio Ricardo de Oliveira de Souza

Novo Hamburgo

2016



PAQUÍMETROS

Relatório de pesquisa apresentado à banca avaliadora do PID, do Curso de Mecânica da Fundação Escola Técnica Liberato Salzano Vieira da Cunha, como requisito para aprovação anual nas disciplinas do curso e seleção para a FEICIT.

Orientador: Professor Fabio Ricardo de Oliveira de Souza.

Novo Hamburgo, setembro de 2016.

FOLHA DE ASSINATURAS



PAQUÍMETROS

FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA

Novo Hamburgo, setembro de 2016.

_________________________________

Meiriely Martinelli – 96423047

_________________________________

Fabio Souza

Professor Orientador

AGRADECIMENTOS

Deixo meu agradecimento especial ao meu orientador o professor Fabio

Souza, que foi de extrema importância para a realização desse projeto e que sem a

sua ajuda e seu incentivo eu não teria levado esse projeto adiante.

RESUMO

A variação da força de medição utilizada em operações envolvendo

paquímetros pode afetar fortemente a confiabilidade da medida obtida por diferentes

operadores, ou mesmo quando se tratando de materiais elásticos a força de

medição aplicada pode interferir na medida obtida. Tendo isso em vista, esse projeto

procurou desenvolver um dispositivo que seja capaz de indicar a força que está

sendo empregada em tais medições, de forma a garantir que seja aplicada a mesma

força de medição em diferentes circunstancias. Para isso foi desenvolvido um

modelo virtual de um suporte de viga engastada que poderá ser acoplado a qualquer

tipo de paquímetro e que, com o auxilio de strain gauges e de um sistema de leitura,

será capaz de indicar a força de medição analisando as deformações e tensões

atuantes nessa viga. Foram realizadas simulações, através de um programa de

CAE, que indicou as deformações e tensões sofridas pela viga quando submetida à

cargas de 0,2N, 1N, 5N e 10N. As menores deformações estiverem próximas de

0,001mm e as maiores deformações se aproximaram de 0,060mm, as menores

tensões de Von Mises encontradas estavam por volta de 0,40MPa e as maiores

tensões se aproximaram de 20,00MPa. Essas simulações foram realizadas

considerando que o material usado para a fabricação do equipamento é o alumínio

6061, cujo limite de escoamento é de 275MPa, e que o pior fator de segurança

encontrado será igual a 14. O modelo aqui proposto, não possui alguns problemas

encontrados em outros, que geralmente modificam a estrutura impossibilitando a

medição com as orelhas, encosto, ou vareta de profundidade. Esse equipamento

não interfere na geometria original do paquímetro ao qual é acoplado e também

possui a vantagem de poder ser fixado a qualquer tipo de paquímetro, garantindo

uma força de medição adequada sem interferir nas funções do paquímetro. Outra

grande vantagem é que, devido à utilização dos strain gauges, a força de medição

não é fixa, podendo variar para se adequar a aplicação e aos padrões de qualidades

exigidos para cada situação especifica.

Palavras-Chave: Paquímetro. Força de medição. Medição com esforço constante.

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................08

2 REFERENCIAL TEÓRICO .....................................................................................09

2.1 Extensometria ....................................................................................................09

2.2 Efeito Hooke .......................................................................................................09

2.2.1 Efeito Poisson ...................................................................................................10

2.3 Variação da Resistência Elétrica .....................................................................10

2.4 Strain Gauge ......................................................................................................12

2.4.1 Tipos de Strain Gauges ....................................................................................13

2.5 Arduino ...............................................................................................................13

3 METODOLOGIA ....................................................................................................15

3.1 Esforços de Flexão ............................................................................................15

3.1.1 Flexão ...............................................................................................................15

3.1.2 Dimensionamento na flexão .............................................................................15

3.1.3 Tensão de cisalhamento na flexão ...................................................................16

3.1.4 Deformação na flexão ......................................................................................17

3.1.5 Fator de Segurança ..........................................................................................17

3.2 Protótipo Virtual ................................................................................................18

3.2.1 Paquímetro Mitutoyo ........................................................................................18

3.2.2 Modelagem do Protótipo em 3D .......................................................................21

3.2.3 Simulações no Inventor ....................................................................................23

3.3 Fabricação do Equipamento ............................................................................24

3.4 Fixação do Dispositivo .....................................................................................25

3.3.1 Fita Dupla-Face ................................................................................................25

3.3.2 Método de Colagem do Strain Gauge ..............................................................25

4 ANÁLISES E DISCUÇÕES ....................................................................................27

4.1 Resultados de deslocamento e tensão para medição com encosto e

bicos..........................................................................................................................27

4.2 Resultados de deslocamento e tensão para medição com orelhas e vareta

de profundidade ......................................................................................................34

5 CONCLUSÃO ........................................................................................................39

REFERÊNCIAS .........................................................................................................40

1 INTRODUÇÃO

A mecânica de precisão, em muitas ocasiões, exige que os produtos obtidos

estejam dentro de um limite de tolerância muito estreito e que as medições que

qualificam esses produtos tenham uma grande confiabilidade. O paquímetro é um

dos instrumentos mais utilizados para realizar essas medições. Entretanto, apesar

de sua grande versatilidade e facilidade de manuseio, o paquímetro possui uma

característica que pode se mostrar um pouco adversa a essas exigências: a força de

medição, que é dada pelo operador e tende a variar significativamente, influenciando

na confiabilidade das medições realizadas.

Alguns instrumentos de medição possuem dispositivos que padronizam tal

força, como o micrômetro que possui uma catraca que é acionada ao atingir

aproximadamente 6N de força de medição. O paquímetro, entretanto, não é dotado

de nenhum dispositivo dessa natureza, sendo que a força de pode variar a cada vez

que a medição for realizada. Essa variação no resultado fica bem evidente em

materiais mais elásticos como, por exemplo, plásticos, borrachas, espumas etc.

algumas peças de aço com espessuras mais finas e/ou quando o instrumento

possuir uma resolução muito grande, ou seja, mostrar valores muito pequenos.

Mas então como garantir que a força de medição empregada em operações

envolvendo o paquímetro se mantenha constante sob diferentes situações?

Com o intuito de garantir que seja aplicada a mesma força de medição em

diferentes circunstancias, esse projeto procurou desenvolver um dispositivo que seja

capaz de sinalizar a força que está sendo empregada em tais medições.

Esse relatório de pesquisa está estruturado em cinco capítulos principais,

introdução, referencial teórico, metodologia, analises e resultados, e conclusão, que

estão divididos em subcapítulos de acordo com os aspectos a serem abordados.

2 REFERENCIAL TEÓRICO

2.1 Extensometria

A extensometria é um método que utiliza a relação entre as tensões e

deformações existentes em corpos submetidos e solicitações mecânicas,

estabelecida por Robert Hooke, a fim de medir as deformações superficiais dos

corpos em relação às forças atuantes nos mesmos. Através de conceitos da Teoria

de Resistência dos Materiais, como a deformação, o esforço de tensão que uma

estrutura pode suportar e o módulo de elasticidade, juntamente com conceitos de

resistência elétrica, estudados por William Thomson, que verificou que a resistência

elétrica de condutores usadas em seus experimentos variava com as deformações

dos materiais em sua fase elástica, chegando à conclusão de que a variação relativa

da resistência sobre a variação relativa da deformação é uma constante. Roy

Carlson foi um dos primeiros a utilizar fios resistivos para medir tensões, por volta de

1930, baseado nesse principio.

2.2 Efeito Hooke

Existe uma relação de causa e efeito de uma mola e o peso que se aplica a

ela. Sobre essa relação, os professores Antônio Máximo Ribeiro da Luz e Beatriz

Alvarenga Álvares (2009, p. 109), dizem “Pendurando pesos de 1 kgf, 2 kgf, 3 kgf

etc., na extremidade de uma mola, podemos calibrá-la para medir pesos ou qualquer

outra força. Uma mola calibrada desta maneira é denominada dinamômetro.”.

Robert Hooke, físico inglês que viveu entre os anos 1635-1703, verificou

experimentalmente que a força exercida pela mola é diretamente proporcional a sua

deformação. De acordo com Helou, Gualter e Newton (2010, p. 143), “A expressão

matemática da Lei de Hook é dada a seguir: em que F é a intensidade

da força deformadora; K é a constante de proporcionalidade; Δx é a deformação

(alongamento ou encurtamento sofrido pela mola).”.

A lei de Hooke descreve a força restauradora presente em sistemas que

foram comprimidos ou distendidos; sendo que todo material sobre o qual se exerce

uma força sofre deformação elástica, mesmo que essa não possa ser observada

visualmente. Segundo Balbinot e Brusamarello (2011, p. 102)

Quando um material é submetido a uma tensão mecânica, uma compressão uniaxial ou um cisalhamento, ocorre uma deformação elástica até um valor de tensão mecânica, compressão ou força de cisalhamento críticos. A partir desse ponto, começa a ocorrer uma deformação plástica.

Durante a deformação elástica, os átomos do material são deslocados, mas tendem a voltar para a posição de equilíbrio quando a carga é removida.

2.2.1 Efeito Poisson

Quando um material é submetido a uma solicitação mecânica ele sofre uma

variação na sua dimensão linear inicial, assim como na área da secção transversal;

a deformação longitudinal que ocorre no material é o efeito estudado pela lei de

Hooke. Entretanto esse não é o único efeito significativo que se apresenta quando

um material é solicitado.

O Efeito Poisson é a deformação que a secção transversal do material, que

surge sempre que ele sofre uma deformação longitudinal. Segundo Balbinot e

Brusamarello (2011, p. 103) “A razão de Poisson é a relação entre a deformação

transversal e direta do corpo na região elástica (entre um quarto e um terço em

metais)”. A deformação transversal é sempre inversa à longitudinal.

2.3 Variação da Resistência Elétrica

O que é resistência elétrica? Quando se estabelece uma diferença de

potencial nas extremidades um condutor, uma corrente elétrica passará através

dele e esse condutor apresentará uma oposição à passagem da corrente. A essa

oposição chamamos Resistencia Elétrica, sendo que ela pode variar de acordo com

a natureza do material do condutor. Segundo Máximo e Alvarenga (2014, p. 101)

“Para caracterizar a oposição que um condutor oferece à passagem de corrente

através dele, define-se uma grandeza, denominada resistência elétrica, R, do

condutor”. Ela pode ser representada pela seguinte formula:

e sua unidade de medida é 1 ohm (representada pela letra grega Ω).

A resistência de um condutor depende do seu comprimento (L), da área da

seção transversal (A) e da resistividade do material do qual ele é feito. A

resistividade é uma constante de proporcionalidade e é representada pela letra

grega ρ. Segundo Máximo e Alvarenga (2014, p. 104) “A resistividade é uma

grandeza característica do material que constitui o fio, isto é, cada substancia possui

um valor diferente para a resistividade ρ”. Juntando essas três propriedades pode-se

chegar a seguinte formula para a resistência elétrica:

Lord Kelvin, importante físico do século XIX, observou em seus

experimentos que a resistência elétrica dos condutores utilizados variava de acordo

com as deformações elásticas por eles sofridas. Segundo Balbinot e Brusamarello

(2011, p. 108):

A variação relativa da resistência sobre a variação relativa da deformação é uma constante. Assim, Kelvin observou que:

⁄

⁄ ou

⁄

,

sendo constante, a resistência inicial do fio metálico, o comprimento

inicial, e as variações de resistência e comprimento, respectivamente,

e a deformação relativa.

As três características que definem a resistência elétrica de um condutor se

alteram quando o fio é deformado longitudinalmente.

2.4 Strain Gauge

O Strain Gauge é um dispositivo que consiste em enviar um sinal, ou uma

resposta, em impulso elétrico. Esse sinal é recebido com um dispositivo eletrônico

que o converte em um valor numérico. A National Instruments é uma produtora de

equipamento de teste automatizado e software de instrumentação com operações

diretas em 41 países, e seu site caracteriza o Strain Gauge como “um dispositivo

cuja resistência elétrica varia na proporção da distensão no dispositivo.”.

O Strain Gauge é formado de tiras metálicas dispostas em uma grade, essa

grade está ligada a um suporte que será fixado à superfície do mensurando, de

forma que tenha a mesma deformação do material. A distensão sofrida pelo

mensurando é transferida diretamente para o Strain Gauge, que, ao sofrer uma

distorção na área de suas tiras metálicas, sofre, também, uma alteração na

resistência elétrica. Sobre o Strain Gauge o livro Instrumentação Industrial, do

engenheiro Arivelto Bustamante Fialho (2012, p. 133), fala:

Dentre os diferentes procedimentos existentes para converter deformações mecânicas em sinais elétricos proporcionais, o mais conhecido é o que utiliza elementos cuja resistência elétrica varia em função de pequenas deformações longitudinais. Esses elementos são pequenas células extensométricas afixadas (coladas) na superfície do corpo de prova ou da própria máquina, formando um conjunto solidário, e recebem o nome de strain gauges.

Com base nos conceitos vistos anteriormente e algumas relações

matemáticas, pode-se chegar a seguinte relação:

⁄

⁄

⁄

⁄

Onde, é o fator gauge;

é a resistência elétrica do condutor;

é a resistividade do condutor;

é o comprimento do condutor;

e é o coeficiente de Poisson.

2.4.1 Tipos de Strain Gauges

Os Strain Gauges são divididos em, basicamente, dois tipos: Gauges de

filamento e Gauges de trama pelicular. No primeiro, o elemento sensível é um fio

condutor metálico, colado sobre um suporte isolante. Já no segundo, o elemento

sensível é uma película de metal com poucos micros de espessura.

Os Strain Gauges uniaxiais são aqueles com formato mais simples, onde a

espessura das linhas da grade e dos terminais é função do comprimento do sensor e

cujas resistências geralmente são 120 ou 350 Ω.

Os Strain Gauges do Tipo Roseta, ou Biaxiais, são utilizados quando não se

conhece a direção das tensões principais; quando as tensões superficiais e os eixos

principais são desconhecidos, pode-se utilizar uma roseta com três elementos para

determinar as direções preferenciais. Segundo Fialho (2012, p. 136) “A informação

relativa de cada um deles permite deduzir o sentido e magnitude dos esforços

principais [...] Como os gauges são montados sobre a superfície, o plano de

medidas corresponde a um estado de deformação biaxial”.

Os Strain Gauges também podem admitir configurações que tornem possível

a medida de esforços raiais e tangenciais esses são conhecidos como Bandas para

Esforços Radiais e Tangenciais.

2.5 Arduino

O Arduino é um sistema que pode interagir com seu ambiente, através de

um micro controlador de placa única e um conjunto de software para programa-lo.

Foi criado por Massimo Banzi e David Cuartielles em 2005 com o objetivo de

fornecer uma plataforma fácil para prototipação de projetos interativos. Segundo

Michael McRoberts (2011, p.22) o Arduino “é um pequeno computador que você

pode programar para processar entradas e saídas entre o dispositivo e os

componentes externos conectados a ele”.

O Hardware do Arduino é composto por componentes como

microprocessador, memória RAM, memória flash, temporizadores, contadores, clock,

etc.

O software serve, basicamente, para escrever o código do programa, salvá-

lo, compilá-lo e gravar o código compilado na memória flash do Arduino através da

porta USB do computador. A IDE (do inglês, Integrated Development Environment) é

utilizada para a realização desses passos e esta disponível para download. Esse

ambiente de desenvolvimento é baseado no Framework Wiring e na linguagem de

programação C/C++.

Essa plataforma se popularizou pelo mundo todo, principalmente, pela sua

facilidade e pelo fato de que todo o material disponibilizado pelo fabricante, como

IDE de desenvolvimento, bibliotecas e até o projeto eletrônico das placas são open-

source, ou seja, é permitida a utilização e reprodução sem restrição sobre os direitos

autorais.

Outra vantagem do Arduino é que ele é um projeto de código aberto, ou

seja, o código, os esquemas, o projeto etc. podem ser utilizados por qualquer

pessoa e com qualquer proposito; além de poder ser alterado mesmo depois do

projeto finalizado, podendo-se acrescentar ou modificar as funções programadas

inicialmente.

3 METODOLOGIA

3.1 Esforços de Flexão

3.1.1 Flexão

Segundo Melconian (1999, pg. 257) “O esforço de flexão configura-se na

peça, quando esta sofre a ação de cargas cortantes, que venham a originar

momento fletor significativo”.

Quando a peça apresenta apenas momento fletor nas secções transversais,

sem possuir força cortante atuando nessas secções, a flexão é chamada de flexão

pura. Já quando as secções transversais da peça estão submetidas à ação de

momento fletor e força cortante, dizemos que o esforço é de flexão simples. Durante

a flexão as fibras inferiores se encontram tracionadas, as fibras superiores se

encontram comprimidas e a linha neutra não sofre nenhuma ação.

A tensão de flexão é determinada em relação à fibra mais distante,

relacionando o momento fletor com a distancia entre a linha neutra e a fibra, e

segundo Melconian (1999, pg. 258) é dada pelas seguintes formulas:

Onde tensão máxima nas fibras comprimidas.

E tensão máxima nas fibras tracionadas.

3.1.2 Dimensionamento na flexão

O dimensionamento de peças que sofrem a ação de forças fletoras requer

que se utilize a tensão máxima atuante na fibra mais afastada como tensão

admissível, independente de que essa esteja tracionada ou comprimida, e, segundo

Melconian (1999, pg. 258 e 259), que se utilizem as seguintes fórmulas:

;

;

portanto

Onde:

– tensão normal atuante na fibra mais afastada;

– momento fletor;

– módulo de resistência da secção transversal;

– distância máxima entre LN (linha neutra) e extremidade da secção.

3.1.3 Tensão de cisalhamento na flexão

A força cortante provoca uma tensão de cisalhamento na secção transversal

da peça que é submetida à flexão, que pode ser determinada pela seguinte fórmula:

Onde:

– tensão de cisalhamento;

– força cortante atuante na secção;

– momento estático;

– largura da secção;

– momento de inercia da secção transversal.

Geralmente a tensão é nula na fibra mais distante e máxima na linha neutra.

3.1.4 Deformação na flexão

Segundo Melconian (1999, pg. 260)

A experiência mostra, nos estudos da flexão, que as fibras da parte tracionada alongam-se e as fibras da parte comprimida encurtam-se. Ao aplicar as cargas na peça, as secções transversais cg e df giram em torno do eixo y, perpendicular ao plano de flexão. As fibras longitudinais do lado côncavo contraem-se e as do lado convexo alongam-se. A origem dos eixos de referencia x e y está contida na superfície neutra.

A deformação pode ser calculada por:

Para determinar as características geométricas das superfícies planas se

trabalha com os eixos x e y na secção transversal, podendo-se dizer que .

3.1.5 Fator de Segurança

O fator de segurança é a relação entre a qualidade de uma construção e o

seu custo. Ele é dado pelo coeficiente de segurança K e pode tanto ser encontrado

em normas. Segundo Raupp (2016, pg. 21), quanto calculado Tem-se com base a

seguinte fórmula:

1< K ≤ 24

Onde: X = 2,0 para materiais mais comuns;

X = 1,5 para aços ligas;

Y = 1,0 para carga estática;

Y = 2,0 para carga intermitente;

Y = 3,0 para carga alternada;

Z = 1,0 para a forma gradual;

Z = 1,5 para choques leves;

Z = 2,0 para choques bruscos;

W = 1,0 a 1,5 para aços;

W = 1,5 a 2,0 para ferro fundido.

Para o caso em questão foi utilizado o coeficiente de segurança K = 14 para

as medições com encosto e bicos e K = 12 para medições com orelhas e vareta de

profundidade.

3.2 Protótipo Virtual

3.2.1 Paquímetro Mitutoyo

A Mitutoyo, empresa japonesa fundada em 1934 e que é um dos maiores

nomes em relação a instrumentos de medição, desenvolveu o Paquímetro de Força

Constante. Esse paquímetro, segundo a empresa, é ideal para medir materiais

elásticos, tais como borrachas e peças plásticas, pois possui um impulsor rotativo

que permite o avanço fino do cursor. Esse paquímetro tem um deslocamento de

0,3mm no bico de baixa força, trabalha com uma força de medição de 0,49N a 0,98N

e se baseia no Modelo Absoltute, também da Mitutoyo. A figura a seguir (fig. 1)

ilustra o Paquímetro de Força Constante.

Figura 1: Paquímetro de Força Constante

Fonte: Mitutoyo (2016, Homepage).

Entretanto o equipamento é todo modificado e especial, não podendo ser

aplicado em qualquer paquímetro. Algumas situações que podem se tornar

problemáticas são o fato de não possibilitar a medição com as orelhas, com o

encosto e com a haste de profundidade.

Em uma análise no CAE com um componente plástico de Poliestireno

qualquer, para a força de medição do Paquímetro de Força Constante, ao aplicar

1N, simulando o fechamento do instrumento durante a medição, a deformação foi de

0,136mm. Dependendo da aplicação esta deformação é muito grande. A imagem a

seguir (fig. 2) mostra essa simulação.

Figura 2: Simulação em CAE de medição com 1N em plástico de

poliestireno

Fonte: A autora.

Em uma segunda simulação com o mesmo componente, agora para uma

força de fechamento de 0,2N (fig. 3), o maior deslocamento foi de 0,028mm. Apesar

de o paquímetro digital possuir uma resolução de 0,01mm, o erro de exatidão

informado pelo fabricante é de ±0,02mm e a repetitividade de ±0,01mm. Isso mostra

como é importante variar a força de medição para certos casos, o que não é

possível com o Paquímetro de Força Constante. A força de medição para este

estudo de caso deve estar em 0,2N, a fim de minimizar a deformação do produto

dentro da capacidade de erro do instrumento.

Figura 3: Simulação em CAE de medição com 0,2N em plástico de

poliestireno

Fonte: A autora.

3.2.2 Modelagem do Protótipo em 3D

O produto será projetado para uma medição de 0,1N a 10N, assim cobrindo

a maioria dos casos de deformação. Neste projeto o conceito é desenvolver um

suporte que possa ser colado em qualquer paquímetro com a utilização de uma fita

dupla face. Para isso foi pensado um modelo com um suporte retangular, que será

colado ao paquímetro, e uma viga engastada, com um impulsor, na qual será

aplicada a força de medição. Conforme a imagem a seguir (fig. 4), temos uma

exemplificação de como o equipamento deverá ficar preso ao paquímetro.

Figura 4: Fixação do equipamento ao paquímetro

Fonte: A autora.

O conceito de medição é utilizar dois Strain Gauges instalados em lados

opostos da viga engastada, de maneira a medir os esforços de tração e compressão

nas faces da viga. O Curso Técnico de Eletrônica cedeu dois Strain Gauges para a

realização desse projeto. Utilizar-se-ão os conceitos da Lei de Hooke para

desenvolver um transdutor de força baseado na deformação de uma viga engastada.

Essa etapa ainda não foi realizada, pois exigirá o auxilio de alguém com

conhecimentos da área de eletrônica e por isso ficará para o final do projeto.

A largura e o comprimento da viga engastada devem permitir a colagem dos

Strain Gauges, o comprimento da viga também deve ser suficiente para que permita

a utilização do impulsor do suporte. Existe ainda a necessidade de avaliar se a

espessura escolhida para a viga será suficiente, bem como avaliar a Tensão a fim

de determinar a melhor localização para o Strain Gauge.

3.2.3 Simulações no Inventor

Serão desconsideradas, nesta etapa, as perdas por atrito no paquímetro e

serão arbitradas as seguintes cargas: 0,2N; 1N; 5N e 10N, que serão aplicadas no

impulsor do suporte que está sendo projetado. As cargas serão aplicadas de ambos

os lados do impulsor, conforme as figuras abaixo (fig. 5 e 6), para simular medições

com o encosto, com os bicos, com as orelhas e com a vareta de profundidade do

paquímetro.

Figura 5: Força para medição com encosto e bicos

Fonte: A autora.

Figura 6: Força para medição com orelhas e vareta de profundidade

Fonte: A autora.

A face fixa será a face colada ao paquímetro (fig. 7), formando uma restrição

de engaste, e para a produção do equipamento o material que foi selecionado é o

alumínio 6061.

Figura 7: Restrição de engaste do suporte

Fonte: A autora.

3.3 Fabricação do Equipamento

Um dos objetivos iniciais desse projeto era a fabricação de um protótipo do

equipamento desenvolvido para controlar a força de medição. Entretanto esse

objetivo não foi alcançado por dois fatores principais, primeiramente por causa de

falhas no planejamento do cronograma, que não levou em conta as demais

atividades curriculares da aluna, e em segundo plano o curto espaço de tempo para

a realização do projeto, levando em conta que a aluna atrasou o inicio dos trabalhos

devido a divergências com o antigo grupo e teve que elaborar a parte teórica no

período que deveria ser utilizado para a parte pratica do projeto.

Pretende-se fabricar o protótipo na semana subsequente às apresentações

do PID, através de técnicas de usinagem, e realizar testes físicos logo em seguida

com o objetivo de ter esses resultados em mãos caso o presente projeto seja

selecionado para exibição na FEICIT.

3.4 Fixação do Dispositivo

3.3.1 Fita Dupla-Face

Será utilizada fita dupla face para fixar o protótipo ao paquímetro. Para

escolher a fita foram utilizados alguns critérios, a fita precisava apresentar uma boa

resistência a esforços mecânicos para suportar o peso do protótipo e os esforços a

que eles serão submetidos, e também não poderia ter uma largura maior do que a

do protótipo que é de 20mm. Por isso foi escolhida a Fita Dupla Face Transparente

4910 VHB 19mm X 5mm 3M, cujas características são, segundo Miromi (acesso em:

28 jun. 2016) :

Espessura: 19mm

Cor: Transparente

Tração:

Adesão ao aço a 90°C (após 72 horas): 3,4 Kgf/12mm

Tensão perpendicular (T-Block):

Cisalhamento dinâmico:

Resistência à temperatura (100g/4h): 150°C

3.3.2 Método de Colagem do Strain Gauge

Para colar no protótipo os dois Strain Gauges que foram cedidos pelo curso

de eletrônica, alguns detalhes de extrema importância tiverão que ser observados,

pois a montagem incorreta pode causar erros como fluência, isolação elétrica sobre

a peça e outros.

A limpeza da superfície é uma parte vital para que a colagem do Strain

Gauge seja bem-sucedida, por isso as áreas do protótipo onde os Strain Gauges

seriam colados, e seus arredores, serão limpas utilizando um solvente e uma gaze

com movimentos em um único sentido.

Outro fator que deve ser observado é a abrasão da superfície onde o Strain

Gauge será fixado. Segundo Balbinot e Brusamarello (2011, p. 124) “O acabamento

ótimo para a colagem depende da natureza e da intenção da instalação. Em termos

gerais, essa rugosidade deve estar entre 0,4 e 6,4μm”. Medir-se-á a rugosidade do

protótipo, para verificar se essa se encontra dentro do intervalo indicado. Caso a

rugosidade não esteja dentro da tolerância sugerida, será necessário utilizar lixas

abrasivas gradativas para obter a abrasão adequada.

É necessário traçar linhas de orientação que servirão como referencia para a

colagem. Essa marcação deve ser feita com uma ferramenta que não arranhe, nem

risque o material, para que não haja concentração de tensões. Após esse

procedimento deverá ser realizada uma nova limpeza para desengraxar a superfície.

Os extensômetro deverão ser manuseados com pinças, para evitar que a

gordura das mãos engraxasse o equipamento. Os extensômetros serão

posicionados com a parte a ser colada para cima, com a pinça sobre uma superfície

limpa e neutra. Uma fita adesiva neutra será colocada sobre o extensômetro. Com o

auxilio da fita, o strain gauge será colocado cuidadosamente sobre as linhas de

referencia traçadas anteriormente, tomando cuidado para que nem o strain gauge

nem a superfície do protótipo sejam contaminados com sujeira e impurezas.

Com a fita presa por apenas um lado, o adesivo do sensor será colado nas

superfícies tanto da estrutura quanto do extensômetro. Logo após a aplicação do

adesivo o extensômetro será colocado em contato com a superfície do protótipo e

com uma gaze, sendo pressionado por aproximadamente um minuto contra a

estrutura. A fita deve ser removida posteriormente para que os terminais possam ser

soldados aos fios do amplificador.

.

4 ANÁLISES E DISCUÇÕES

4.1 Resultados de deslocamento e tensão para medição com encosto e bicos

Utilizou-se a Tensão de Von Mises para comparação com a tensão de

escoamento e avaliação da localização do Strain Gauge e deslocamento para

avaliação da deformação do impulsor do suporte em medições realizadas com o

encosto e com os bicos do paquímetro.

A menor deformação foi de 0,001mm e a maior deformação de 0,059mm, a

menor tensão de Von Mises foi de 0,39MPa e a maior tensão de 19,65MPa.

Considerando que o limite de escoamento do alumínio 6061 é de 275MPa, o pior

fator de segurança encontrado será igual a 14.

Nas simulações as regiões com maior valor de tensão indicam os melhores

locais para a instalação dos Strain Gauges. As imagens a seguir mostram os

resultados obtidos nas simulações realizadas por computador para a aplicação das

cargas arbitradas para o Deslocamento (fig. 8, 10, 12 e 14) e para a Tensão de Von

Mises (fig. 9, 11, 13 e 15).

Figura 8: Deslocamento para a força de 0,2N

Fonte: A autora.

Figura 9: Tensão de Von Mises para a força de 0,2N

Fonte: A autora.

Figura 10: Deslocamento para a força de 1N

Fonte: A autora.

Figura 11: Tensão de Von Mises para a força de 1N

Fonte: A autora.


Fonte: A autora.


Fonte: A autora.

Existe a necessidade de avaliar condições em que o operador exceda a

carga de medição nominal. Para uma condição de 10 vezes o valor nominal indicado

para o suporte, ou seja, uma força de 100N, a análise das próximas imagens (fig. 16,

17 e 18) apresentam esses resultados. Neste caso o fator de segurança mínimo

será de 1,4 e o máximo deslocamento de aproximadamente 0,6mm.


Fonte: A autora.


Fonte: A autora.

Figura 18: Fator de Segurança para a força de 100N

Fonte: A autora.

4.2 Resultados de deslocamento e tensão para medição com orelhas e vareta

de profundidade

Da mesma forma que para a medição com o encosto e com os bicos,

utilizou-se a Tensão de Von Mises para comparação com a tensão de escoamento e

avaliação da localização do Strain Gauge e deslocamento para avaliação da

deformação do impulsor do suporte em medições com as orelhas e com a vareta de

profundidade do paquímetro.

A menor deformação encontrada foi de 0,001mm e a maior deformação foi

de 0,067mm, a menor tensão de Von Mises foi de 0,44 MPa e a maior tensão de

22,04MPa. Considerando que o limite de escoamento do alumínio 6061 é de 275

MPa, o fator de segurança mínimo encontrado será igual a 12.

Nas simulações as regiões com maior valor de tensão indicam os melhores

locais para a instalação dos Strain Gauges. As imagens a seguir mostram os

resultados obtidos nas simulações realizadas por computador para a aplicação das

cargas arbitradas para o Deslocamento (fig. 19, 21, 23 e 25) e para a Tensão de Von

Mises (fig. 20, 22, 24 e 26).

Figura 19: Deslocamento para a força de 0,2N

Fonte: A autora.

Figura 20: Tensão de Von Mises para a força de 0,2N

Fonte: A autora.


Fonte: A autora.


Fonte: A autora.

5 CONCLUSÃO

Objetivava-se com essa pesquisa desenvolver um equipamento que fosse

capaz de indicar a força de medição empregada ao se realizar operações

envolvendo paquímetros, assim como a sua fabricação, com o intuito de garantir que

seja aplicada a mesma força de medição em diferentes circunstancias. Foi

elaborado um modelo desse equipamento e realizadas varias simulações

computadorizadas que demonstram a eficiência desse equipamento. Entretanto

ainda não foi possível usinar o suporte do equipamento e realizar testes físicos que

confirmem os resultados obtidos pelo software, tendo assim que os objetivos foram

parcialmente alcançados.

Existem varias vantagens que esse equipamento pode apresentar quando

comparado a outro de natureza semelhante, como, por exemplo, o Paquímetro de

Força Constante da Mitutoyo. Devido às modificações realizadas para obter controle

da força de medição aplicada, o paquímetro desenvolvido pela Mitutoyo acaba

impossibilitando medições com as orelhas, com os encostos e com a haste de

profundidade. O modelo aqui proposto, por outro lado, não possui esse problema,

pois não interfere na estrutura original do paquímetro ao qual é acoplado e também

possui a vantagem de poder ser fixado a qualquer tipo de paquímetro, garantindo

uma força de medição adequada sem interferir nas funções do paquímetro.

Outra grande vantagem é que, devido à utilização dos strain gauges, a força

de medição não é fixa, podendo variar para se adequar a aplicação e aos padrões

de qualidades exigidos para cada situação especifica.

Há também outro ponto importante nesse equipamento. Como o Arduino é

um projeto de código aberto, existe a possibilidade de que outras pessoas possam

criar modificações e até mesmo novas aplicações para o equipamento, de forma que

esse estaria sempre melhorando.

REFERÊNCIAS

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DOCA, Ricardo Helou; BISCUOLA, Gualter José; BÔAS, Newton Villas. Física ENSINO MÉDIO VOLUME 1. São Paulo: Saraiva, 2010.

FIALHO, Eng. Arivelto Bustamante. Instrumentação Industrial: Conceitos, Aplicações e Análises. 7. ed. São Paulo: Érica, 2010.

LUZ, Antônio Máximo Ribeiro da; ÁLVARES, Beatriz Alvarenga. FÍSICA ensino médio VOLUME 1. São Paulo: Scipione, 2009.

______. FÍSICA Contexto & Aplicações Física/ensino médio VOLUME 3. São Paulo: Scipione, 2014.

MELCONIAN, Sarkis. Mecânica Técnica e Resistência dos Materiais. 10 ed. São Paulo: Érica, 1999.

MIROMI car care. Disponível em: < http://www.miromi.com.br/3m-fita-dupla-face-transparente-vhb-4910-19mm-x-5m>. Acesso em: 28 jul. 2016.

MCROBERTS, Michael. Arduino Básico. São Paulo: Novatec, 2011.

NATIONAL instruments. Disponível em: <http://www.ni.com/white-paper/3642/pt/#top>. Acesso em: 16 abril, 2016.

RAUPP, Ronaldo. Tração-Compressão-Cisalhamento. 6 ed. Novo Hamburgo: Fundação Liberato, 2016.

fundaÇÃo escola tÉcnica liberato salzano vieira...

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