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Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS
Laboratório de Transformação Mecânica - LdTM
Prof. Dr.-Ing. Lirio Schaeffer
Medição de Força para Supervisão do
Processo de Forjamento
Arno Richter
Porto Alegre: Centro de Tecnologia - CT
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Prof. Dr.-Ing. Lirio Schaeffer
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
Arno Richter
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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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1. Introdução
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A partir do ponto de vista da medição existem três grupos
principais 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. Medição de diferentes grandezas físcas / 2.1 Força
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A força é uma grandeza física que não pode ser medida através de
compação com uma escala.
A medição da força é realizada através da observação e avaliação
da 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 com
células de carga a base de extensômetros (inglês: strain gauges).
Este método de medição é chamado extensometria. O extensômetro
é um condutor elétrico que é fixado na superfície do corpo que será
deformado. 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 Força
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Esta aleração da resistência depende do sentido da deformação
e do material do condutor.
A fórmula geral para a resistência de um condutor elétrico é:
l
R
A
com:
R

l
A
resistência,
resistividade,
comprimento e
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
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Considerando o fato que as deformações elásticas nas superfícies
de corpos metálicos são muito pequenas (até 0,2%) é visível que as
alterações da resistência elétrica dos extensômetros também são
muito 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 fixado
em vários laços para aumentar o comprimento dele. Isto aumenta o
valor absoluto da alteração da resistência dele. O valor relativo
da alteração da resistencia dele pode ser influenciado através da
escolha do material para os condutores.
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2.1.1 Extensometria
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a) substrato isolante
b) condutor
c) contatos para ligação
d) comprimento do condutor
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2.1.1 Extensometria
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Os condutores de extensômetros modernos são produzidas a partir
de lâminas metálicas. São montados entre duas folhas de plástico
para facilitar o manuseio.
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2.1.1 Extensometria
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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
constantã
NiCr
platina
resistividade

0,48
0,111
fator k
1,8 ... 2,2
2,1 ... 2,4
3,5 ... 3,9
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2.1.1 Extensometria
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R1, R2, R3 e R4:
resistências da ponte
preferencialmente
R1 = 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
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ua  u1  u4
R1
u1 
ue
R1  R2
R4
u4 
ue
R3  R4
 R1
R4 

ua  ue 

 R1  R2 R3  R4 
R1  R3  R2  R4
ua
R1
R4



ue R1  R2 R3  R4 ( R1  R2 )  ( R3  R4 )
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2.1.2 A ponte de Wheatstone
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Condições para equilíbrio (ua = 0):
R1  R2  R3  R4
ou
R1 R4

R2 R3
As alterações das resitências são muito pequenas em comaparação
com os valores das resistências:
R  R
ua 1  R1 R2 R3 R4 

  



ue 4  R1
R2
R3
R4 
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2.1.2 A ponte de Wheatstone
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Assim é possível relacionar a deformação do strain gauge com a
alteração da resistência introduzindo o fator k.
Ri
 k i
Ri
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 de
uma 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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2.1.2 A ponte de Wheatstone
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Uma célula de carga é um corpo elástico
de aço ferramenta temperado no qual os
extensômetros são aplicados.
As dimensões deste corpo são escolhidos
de forma que ele sofre uma deformação
máxima de 0,1% (para evitar a plastificação
do corpo e dos extensômetros).
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2.1.3 Células de carga
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Em muitas processos é
importante ter um sinal de
referência. Isto pode ser o tempo,
o deslocamento da ferramenta
ou ó ângulo do eixo de manivela
da prensa (caso trata uma
prensa mecânica).
S
u
R
u0
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 sensores
são a linearidade da curva característica e o baixo custo.
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2.2 Deslocamento
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unidade central
sensor de deslocamento
erro
aviso
tela
8 teclas
amplificador
conversor
A
punção
D
matriz
amplificador
conversor
µP
interface
impressora
processador
amplificador externo
A
amplificador
célula de carga
D
comando da prensa
prensa
3. Supervisão de processos
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3. Supervisão de processos
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